210
edits
Changes
temp edit
==<!--13.3-->Prüfverfahren in der Informationstechnik==
Prüfungen des Kontaktverhaltens in der Informationstechnik werden i.d.R. mit
den jeweiligen Schaltgeräten, z.B. Relais, durchgeführt. Die Erfahrung zeigt,
dass bei den hier vorliegenden Kontaktkräften, Reibwegen und elektrischen Belastungen das Zusammenwirken meist aller zum Ausfall führender Phänomene
entscheidend ist. Demzufolge haben statistische Prüfungen an einer
großen Anzahl von Schaltgeräten die einzig gültige Aussagekraft.
Des weiteren unterscheidet man zwischen statischen Prüfungen (z.B. Messung
des Kontaktwiderstandes) und dynamischen (Ermittlung der Lebensdauer).
Daneben gibt es auch Bauelemente und Schaltgeräten, bei denen die Kontakte
sowohl statisch als auch dynamisch im Anwendungsfall beansprucht werden
(z.B. Steckverbinder, Relais, Schalter, Tasten). Die Lebensdauer wird bei
statisch beanspruchten Kontakten i.d.R. als Beanspruchungsdauer, d.h. in
„Stunden“ definiert, bei schaltenden Kontakten in „Schaltspielen oder Schaltzyklen“
angegeben.
===<!--13.3.1-->Messung des Kontaktwiderstandes===
Der Kontaktwiderstand gilt im Neuzustand bei den meisten kontaktbestückten
elektromechanischen Schaltgeräten als charakteristisches Merkmal für deren
Qualität. Er wird in allen Normen oder Abnahmebedingungen von Anwendern
definiert. Dabei kommt es entscheidend auf die für die Anwendung richtige und
aussagekräftige Messbedingung an.
In der Norm IEC/EN 61810-2 wird das Anwendungsfeld der Relais entsprechend
der Beanspruchung nach sogenannten Kontaktlastkategorien (CC) definiert
(<xr id="fig:Schematic describing the contact load categories"/><!--(Fig. 13.5)-->). Die Kontaktlastkategorien CC 1 und CC 2 sind durch die Lichtbogengrenzkurve
(DC-Ausschaltvermögen) getrennt. Schaltvorgänge unterhalb
der Lichtbogengrenzkurve verlaufen ohne Lichtbogenbildung, bei Schaltvorgängen
oberhalb der Lichtbogengrenzkurve treten Lichtbögen auf.
*CC1 ist typisch für Schaltvorgänge in Steuerstromkreisen mit Kleinspannung, z.B. SPS - Eingänge
*CC 2 ist typisch für Freigabepfade im Bereich der Niederspannung, mit denen z.B. Schütze (230VAC) geschaltet werden.
*CC 0 beschreibt als Sonderfall den Strom - Spannungsbereich für trockene Last.
<figure id="fig:Schematic describing the contact load categories">
[[File:Schematic describing the contact load categories.jpg|right|thumb|Schematische Darstellung der Zuordnung der Kontaktlastkategorien im Strom- Spannungsbereich nach IEC/EN 61810-2 Lichtbogengrenzkurve bei Lichtbogendauer< 1 ms]]
</figure>
In den jeweiligen Kontaktlastkategorien werden die Bedingungen für die
Kontaktwiderstandsmessungen nach IEC/EN 61810-7 definiert:
*Kontaktlastkategorie CC0: < 30 mV; < 10 mA <br />
*Kontaktlastkategorie CC1: < 10 V; < 100 mA <br />
*Kontaktlastkategorie CC2: < 30 V; < 1 A <br />
Bei Kontakten, die mehrere Kategorien umfassen, gilt die Messbedingung der
niedrigsten Kategorie. Die Kontaktwiderstandsmessung wird üblicherweise
nach der 4 - Draht - Methode bei einer Umgebungstemperatur von 27°C + 1°C
und 63 bis 67% relativer Feuchte durchgeführt.
Mit der zusätzlichen Forderung nach einem oberen Schwellwert oder Abnahmewert
(z.B. 90% - Wert der statistischen Verteilung der Kontaktwiderstände eines
Kollektivs) kann abgesichert werden, dass solche Kontakte ab dem Neuzustand
für das jeweilige Anwendungsgebiet geeignet sind.
Das Führen des Stromes in normalerweise dynamisch arbeitenden Geräten bis
zum angegebenen Bemessungsstrom ist durch diesen Prüfungsablauf ebenfalls
abgesichert.
Dies ist jedoch keine verbindliche Aussage bezüglich des weiteren Verhaltens in
der jeweiligen Anwendung. Hierzu sind Lebensdaueruntersuchungen im Gerät
unter realer Last erforderlich.
<figure id="fig:Relation between the breaking currents of relays and electrical life requirements of switching systems">
[[File:Relation between the breaking currents of relays and electrical life requirements of switching systems.jpg|right|thumb|Zusammenhang zwischen Ausschaltstrom von Relais und Lebensdauerforderung in Systemen]]
</figure>
===<!--13.3.2-->Lebensdauer===
Als Lebensdauer bezeichnet man die bei einer definierten Last erreichte Zahl
der Schaltzyklen (Einschalten des Stromes, Führen, Ausschalten des Stromes). Der gesamte Ablauf dieses Schaltzyklus führt unter den speziellen Gegebenheiten
des Relais (Prellverhalten, Werkstoffe u.a.) zu den für den späteren
Ausfall verantwortlichen Phänomenen, z.B. erhöhter Kontaktwiderstand,
Materialwanderung, Abbrand, Verschweißen <xr id="fig:Relation between the breaking currents of relays and electrical life requirements of switching systems"/><!--(Fig. 13.6)-->.
Ausfälle beim Schalten der Last sind erfahrungsgemäß Fehlfunktionen der
Kontaktstücke. Die mechanische Lebensdauer ohne elektrische Last muss
demzufolge größer sein als die im Betriebsfall geforderte maximale Lebensdauer.
Meist übersteigt die mechanische Lebensdauer die elektrische um den
Faktor 10.
===<!--13.3.3-->Kriterien für die Lebensdauer===
Als Lebensdauer- oder Ausfallkriterien bei Schaltgeräten der Informationstechnik gelten nach einschlägigen Vorschriften und Normen:
*Failure to close by exceeding an upper limit for the contact resistance
*Failure to open by contact welding at a higher force than specifiedor by mechanical interlocking
*Switching characteristics strongly changed by arc erosion or material transfer
As opposed to electronic components, failures in electromechanical devices can occur once and not repeat at all or at considerably later stages of the life time.
Because of this an exact definition for the failure mode must be provided. In most cases the first failure occurrence is defined as the overall device failure, since relays are increasingly used in safety related electrical circuits. Failures to open because of contact welding must be very critically examined. In some instances a weak weld or “sticking” of the contacts can cause a delayed opening and separation of the contacts by themselves. Therefore it is useful to define weld failures as non-opening after a specified time, approx. 1 sec, after the actual switching-off event.
===<!--13.3.4-->Determination of Functional Life===
Electrical life, failure rate, and reliability are statistical measures. To determine the electrical life the relays are switching the specified load in an accelerated way with higher switching frequency until the first pre-defined failure occurs. The number of switching operations reached for the representative sample size of relays is determined through statistically valid test setups using Weibull distributions. For all switching operations the failure criteria must be monitored and recorded.
<figure id="fig:Statistical evaluation of the electrical life of relays">
[[File:Statistical evaluation of the electrical life of relays.jpg|right|thumb|Statistical evaluation of the electrical life of relays (Operating parameters: 220VAC, 8A, 0.1Hz, resistive load; contact material AgCdO 90/10)]]
</figure>
The large quantity of data generated during the tests can be only analyzed with computer based test systems. After all the relays failed a failure statistic is calculated and the expected electrical life is calculated based on the specified switching and operating criteria. <xr id="fig:Statistical evaluation of the electrical life of relays"/><!--(Fig. 13.7)--> shows in form of a Weibull diagram the results of a relay life test for a sampling of switching relays under a resistive AC load with failures after the first and the 10<sup>th</sup> occurrence analyzed. From such electrical life test it is also possible to statistically predict the failure rate of relays under certain specified load conditions.
===<!--13.3.5-->Testing Technology===
The test set-ups for relay tests consist of a load part, which allows the selection of specific electrical loads, and a control / monitoring part, which typically includes the measuring devices with data collection and mostly also a computer for data analysis <xr id="fig:Principle and sequence of testing with electronic load simulation"/><!--(Fig. 13.8)-->. Variations for testing of different relay types concern mostly the load circuits, the sample size of test specimens, and the frequency of testing.
*Signal Relays (Low Current Relays)
The DC load conditions are specified in the relevant standards (for ex. Telecom Specifications).
<figure id="fig:Principle and sequence of testing with electronic load simulation">
[[File:Principle and sequence of testing with electronic load simulation.jpg|right|thumb|Principle and sequence of testing with electronic load simulation]]
</figure>
<figure id="fig:Automotive relays under motor load">
[[File:Automotive relays under motor load.jpg|right|thumb|Automotive relays under motor load: Results of electrical life testing using different contact materials]]
</figure>
*Switching of “dry circuits” with monitoring of the contact resistance, in some cases at elevated temperatures
*Two load conditions at 30 W (125 VDC, 0.24 A and 37.5 VDC, 0.8 A
*Two wiring load conditions
*Two different overload conditions at 60 W (250 VDC, 0.24 A and 37.7 VDC, 1.6 A)
The number of test samples varies between 3 and 20 pieces, depending on the load; the switching frequency varies between 0.3 and 10 Hz.
The test set-up has to follow the regulations of IEC DIN EN 61810-2.
*Elementary Relays (or General Purpose Relays / Switching Relays)
For these relays electrical life tests according to their various DC as well as AC load conditions are required. These load conditions are also defined in well known VDE standards for power engineering products (IEC/EN 60947-4-1, IEC DIN EN 61810-2).
The number of samples (mostly < 10 relays, and testing frequency are defined. Often tests for these load characteristics are used for the selection of optimum contact materials.
*Automotive Relays
For these relays electrical life tests are conducted under the DC voltage used in the on-board circuitry. Since no standardized tests have been established for automotive relays, the electrical loads are agreed upon between the supplier and the end user. The multitude of load conditions, i.e. resistive, inductive motor, and lamp loads require a flexible set-up of suitable test equipment (see <xr id="fig:Principle and sequence of testing with electronic load simulation"/>)<!--(Fig. 13.8)-->.
During accelerated life tests the following parameters from real life loads must be observed:
*Lamp loads are strongly temperature dependent resistive loads. Therefore a sufficient cooling time of the bulb filaments must be allowed.
*The actual loads used in test experiments wear over time and must be replaced at regular intervals.
*Tests at low temperatures require large cooled climate chambers and extended cool-down times.
These requirements lead to the need to simulate the real life loads through electronically controlled load circuits. Such computerized electronic load circuit simulations easily allow the test sequences to be controlled and monitored:
* Time saving test runs for lamp loads by reducing interval times Monitoring of each switching operation for electrical life criteria Allowing to recognize non separation of the contacts after a pre-set time limit to be classified as a relay fallure
Results of relay life testing using different contact materials are illustrated as an example in <xr id="fig:Automotive relays under motor load"/> <!--(Fig. 13.9)-->. For each contact material 10 relays were tested under the prescribed motor load until a failure due to non-opening was detected. For this specific load condition AgNiO. 15 was found to be the best suited contact material.
===<!--13.3.6-->Failure Analysis===
The full clarification of causes for switching device failures, for example relays, is most important for quality assurance. As a starting point the full history of the relay, such as electrical load, environmental conditions, etc. must be recorded. The process flow chart in <xr id="fig:Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology"/><!--(Fig. 13.10)--> clearly describes a proven way to conduct a failure analysis.
<figure id="fig:Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology">
[[File:Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology.jpg|right|thumb|Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology]]
</figure>
Following all procedures of such a failure evaluation carefully, the root cause of the defect can most likely be established in order to implement preventive measures limiting future occurrences.
==Referenzen==
[[Prüfverfahren#Referenzen|Referenzen]]
[[en:Test_Procedures_for_the_Communications_Technology]]
Prüfungen des Kontaktverhaltens in der Informationstechnik werden i.d.R. mit
den jeweiligen Schaltgeräten, z.B. Relais, durchgeführt. Die Erfahrung zeigt,
dass bei den hier vorliegenden Kontaktkräften, Reibwegen und elektrischen Belastungen das Zusammenwirken meist aller zum Ausfall führender Phänomene
entscheidend ist. Demzufolge haben statistische Prüfungen an einer
großen Anzahl von Schaltgeräten die einzig gültige Aussagekraft.
Des weiteren unterscheidet man zwischen statischen Prüfungen (z.B. Messung
des Kontaktwiderstandes) und dynamischen (Ermittlung der Lebensdauer).
Daneben gibt es auch Bauelemente und Schaltgeräten, bei denen die Kontakte
sowohl statisch als auch dynamisch im Anwendungsfall beansprucht werden
(z.B. Steckverbinder, Relais, Schalter, Tasten). Die Lebensdauer wird bei
statisch beanspruchten Kontakten i.d.R. als Beanspruchungsdauer, d.h. in
„Stunden“ definiert, bei schaltenden Kontakten in „Schaltspielen oder Schaltzyklen“
angegeben.
===<!--13.3.1-->Messung des Kontaktwiderstandes===
Der Kontaktwiderstand gilt im Neuzustand bei den meisten kontaktbestückten
elektromechanischen Schaltgeräten als charakteristisches Merkmal für deren
Qualität. Er wird in allen Normen oder Abnahmebedingungen von Anwendern
definiert. Dabei kommt es entscheidend auf die für die Anwendung richtige und
aussagekräftige Messbedingung an.
In der Norm IEC/EN 61810-2 wird das Anwendungsfeld der Relais entsprechend
der Beanspruchung nach sogenannten Kontaktlastkategorien (CC) definiert
(<xr id="fig:Schematic describing the contact load categories"/><!--(Fig. 13.5)-->). Die Kontaktlastkategorien CC 1 und CC 2 sind durch die Lichtbogengrenzkurve
(DC-Ausschaltvermögen) getrennt. Schaltvorgänge unterhalb
der Lichtbogengrenzkurve verlaufen ohne Lichtbogenbildung, bei Schaltvorgängen
oberhalb der Lichtbogengrenzkurve treten Lichtbögen auf.
*CC1 ist typisch für Schaltvorgänge in Steuerstromkreisen mit Kleinspannung, z.B. SPS - Eingänge
*CC 2 ist typisch für Freigabepfade im Bereich der Niederspannung, mit denen z.B. Schütze (230VAC) geschaltet werden.
*CC 0 beschreibt als Sonderfall den Strom - Spannungsbereich für trockene Last.
<figure id="fig:Schematic describing the contact load categories">
[[File:Schematic describing the contact load categories.jpg|right|thumb|Schematische Darstellung der Zuordnung der Kontaktlastkategorien im Strom- Spannungsbereich nach IEC/EN 61810-2 Lichtbogengrenzkurve bei Lichtbogendauer< 1 ms]]
</figure>
In den jeweiligen Kontaktlastkategorien werden die Bedingungen für die
Kontaktwiderstandsmessungen nach IEC/EN 61810-7 definiert:
*Kontaktlastkategorie CC0: < 30 mV; < 10 mA <br />
*Kontaktlastkategorie CC1: < 10 V; < 100 mA <br />
*Kontaktlastkategorie CC2: < 30 V; < 1 A <br />
Bei Kontakten, die mehrere Kategorien umfassen, gilt die Messbedingung der
niedrigsten Kategorie. Die Kontaktwiderstandsmessung wird üblicherweise
nach der 4 - Draht - Methode bei einer Umgebungstemperatur von 27°C + 1°C
und 63 bis 67% relativer Feuchte durchgeführt.
Mit der zusätzlichen Forderung nach einem oberen Schwellwert oder Abnahmewert
(z.B. 90% - Wert der statistischen Verteilung der Kontaktwiderstände eines
Kollektivs) kann abgesichert werden, dass solche Kontakte ab dem Neuzustand
für das jeweilige Anwendungsgebiet geeignet sind.
Das Führen des Stromes in normalerweise dynamisch arbeitenden Geräten bis
zum angegebenen Bemessungsstrom ist durch diesen Prüfungsablauf ebenfalls
abgesichert.
Dies ist jedoch keine verbindliche Aussage bezüglich des weiteren Verhaltens in
der jeweiligen Anwendung. Hierzu sind Lebensdaueruntersuchungen im Gerät
unter realer Last erforderlich.
<figure id="fig:Relation between the breaking currents of relays and electrical life requirements of switching systems">
[[File:Relation between the breaking currents of relays and electrical life requirements of switching systems.jpg|right|thumb|Zusammenhang zwischen Ausschaltstrom von Relais und Lebensdauerforderung in Systemen]]
</figure>
===<!--13.3.2-->Lebensdauer===
Als Lebensdauer bezeichnet man die bei einer definierten Last erreichte Zahl
der Schaltzyklen (Einschalten des Stromes, Führen, Ausschalten des Stromes). Der gesamte Ablauf dieses Schaltzyklus führt unter den speziellen Gegebenheiten
des Relais (Prellverhalten, Werkstoffe u.a.) zu den für den späteren
Ausfall verantwortlichen Phänomenen, z.B. erhöhter Kontaktwiderstand,
Materialwanderung, Abbrand, Verschweißen <xr id="fig:Relation between the breaking currents of relays and electrical life requirements of switching systems"/><!--(Fig. 13.6)-->.
Ausfälle beim Schalten der Last sind erfahrungsgemäß Fehlfunktionen der
Kontaktstücke. Die mechanische Lebensdauer ohne elektrische Last muss
demzufolge größer sein als die im Betriebsfall geforderte maximale Lebensdauer.
Meist übersteigt die mechanische Lebensdauer die elektrische um den
Faktor 10.
===<!--13.3.3-->Kriterien für die Lebensdauer===
Als Lebensdauer- oder Ausfallkriterien bei Schaltgeräten der Informationstechnik gelten nach einschlägigen Vorschriften und Normen:
*Failure to close by exceeding an upper limit for the contact resistance
*Failure to open by contact welding at a higher force than specifiedor by mechanical interlocking
*Switching characteristics strongly changed by arc erosion or material transfer
As opposed to electronic components, failures in electromechanical devices can occur once and not repeat at all or at considerably later stages of the life time.
Because of this an exact definition for the failure mode must be provided. In most cases the first failure occurrence is defined as the overall device failure, since relays are increasingly used in safety related electrical circuits. Failures to open because of contact welding must be very critically examined. In some instances a weak weld or “sticking” of the contacts can cause a delayed opening and separation of the contacts by themselves. Therefore it is useful to define weld failures as non-opening after a specified time, approx. 1 sec, after the actual switching-off event.
===<!--13.3.4-->Determination of Functional Life===
Electrical life, failure rate, and reliability are statistical measures. To determine the electrical life the relays are switching the specified load in an accelerated way with higher switching frequency until the first pre-defined failure occurs. The number of switching operations reached for the representative sample size of relays is determined through statistically valid test setups using Weibull distributions. For all switching operations the failure criteria must be monitored and recorded.
<figure id="fig:Statistical evaluation of the electrical life of relays">
[[File:Statistical evaluation of the electrical life of relays.jpg|right|thumb|Statistical evaluation of the electrical life of relays (Operating parameters: 220VAC, 8A, 0.1Hz, resistive load; contact material AgCdO 90/10)]]
</figure>
The large quantity of data generated during the tests can be only analyzed with computer based test systems. After all the relays failed a failure statistic is calculated and the expected electrical life is calculated based on the specified switching and operating criteria. <xr id="fig:Statistical evaluation of the electrical life of relays"/><!--(Fig. 13.7)--> shows in form of a Weibull diagram the results of a relay life test for a sampling of switching relays under a resistive AC load with failures after the first and the 10<sup>th</sup> occurrence analyzed. From such electrical life test it is also possible to statistically predict the failure rate of relays under certain specified load conditions.
===<!--13.3.5-->Testing Technology===
The test set-ups for relay tests consist of a load part, which allows the selection of specific electrical loads, and a control / monitoring part, which typically includes the measuring devices with data collection and mostly also a computer for data analysis <xr id="fig:Principle and sequence of testing with electronic load simulation"/><!--(Fig. 13.8)-->. Variations for testing of different relay types concern mostly the load circuits, the sample size of test specimens, and the frequency of testing.
*Signal Relays (Low Current Relays)
The DC load conditions are specified in the relevant standards (for ex. Telecom Specifications).
<figure id="fig:Principle and sequence of testing with electronic load simulation">
[[File:Principle and sequence of testing with electronic load simulation.jpg|right|thumb|Principle and sequence of testing with electronic load simulation]]
</figure>
<figure id="fig:Automotive relays under motor load">
[[File:Automotive relays under motor load.jpg|right|thumb|Automotive relays under motor load: Results of electrical life testing using different contact materials]]
</figure>
*Switching of “dry circuits” with monitoring of the contact resistance, in some cases at elevated temperatures
*Two load conditions at 30 W (125 VDC, 0.24 A and 37.5 VDC, 0.8 A
*Two wiring load conditions
*Two different overload conditions at 60 W (250 VDC, 0.24 A and 37.7 VDC, 1.6 A)
The number of test samples varies between 3 and 20 pieces, depending on the load; the switching frequency varies between 0.3 and 10 Hz.
The test set-up has to follow the regulations of IEC DIN EN 61810-2.
*Elementary Relays (or General Purpose Relays / Switching Relays)
For these relays electrical life tests according to their various DC as well as AC load conditions are required. These load conditions are also defined in well known VDE standards for power engineering products (IEC/EN 60947-4-1, IEC DIN EN 61810-2).
The number of samples (mostly < 10 relays, and testing frequency are defined. Often tests for these load characteristics are used for the selection of optimum contact materials.
*Automotive Relays
For these relays electrical life tests are conducted under the DC voltage used in the on-board circuitry. Since no standardized tests have been established for automotive relays, the electrical loads are agreed upon between the supplier and the end user. The multitude of load conditions, i.e. resistive, inductive motor, and lamp loads require a flexible set-up of suitable test equipment (see <xr id="fig:Principle and sequence of testing with electronic load simulation"/>)<!--(Fig. 13.8)-->.
During accelerated life tests the following parameters from real life loads must be observed:
*Lamp loads are strongly temperature dependent resistive loads. Therefore a sufficient cooling time of the bulb filaments must be allowed.
*The actual loads used in test experiments wear over time and must be replaced at regular intervals.
*Tests at low temperatures require large cooled climate chambers and extended cool-down times.
These requirements lead to the need to simulate the real life loads through electronically controlled load circuits. Such computerized electronic load circuit simulations easily allow the test sequences to be controlled and monitored:
* Time saving test runs for lamp loads by reducing interval times Monitoring of each switching operation for electrical life criteria Allowing to recognize non separation of the contacts after a pre-set time limit to be classified as a relay fallure
Results of relay life testing using different contact materials are illustrated as an example in <xr id="fig:Automotive relays under motor load"/> <!--(Fig. 13.9)-->. For each contact material 10 relays were tested under the prescribed motor load until a failure due to non-opening was detected. For this specific load condition AgNiO. 15 was found to be the best suited contact material.
===<!--13.3.6-->Failure Analysis===
The full clarification of causes for switching device failures, for example relays, is most important for quality assurance. As a starting point the full history of the relay, such as electrical load, environmental conditions, etc. must be recorded. The process flow chart in <xr id="fig:Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology"/><!--(Fig. 13.10)--> clearly describes a proven way to conduct a failure analysis.
<figure id="fig:Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology">
[[File:Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology.jpg|right|thumb|Flow diagram for evaluation of failure cause in switching devices for communications technology]]
</figure>
Following all procedures of such a failure evaluation carefully, the root cause of the defect can most likely be established in order to implement preventive measures limiting future occurrences.
==Referenzen==
[[Prüfverfahren#Referenzen|Referenzen]]
[[en:Test_Procedures_for_the_Communications_Technology]]
