Kontaktsysteme für Relais zwischen Last und Logik
Die hohe Kunst der Schaltlast

Durch die fortschreitende Automatisierung werden die Lastanforderungen an Print- Relais in der Industrieautomation immer komplexer. Die Anforderungsbandbreite reicht von hohen Starkstromlasten einerseits bis zu TTL-Signalen andererseits.

Zumeist sind Printrelais, die in der Industrieautomation eingesetzt werden, in den Schutzarten RTII und RTIII verfügbar. Dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Relais über lange Zeit vor Umwelteinflüssen geschützt sind. Untersuchungen belegen, dass auch in der Schutzart RTIII durch das Gehäuse Schadstoffe und Wassermoleküle in das Relaisinnere eindringen können. Hinzu kommen Ausgasungsprodukte aus den Kunststoffen und den Isolierstoffen im Relais, die auch bei bester Qualität kaum 100-prozentig zu verhindern sind. Zudem ist auch der technisch reinste Schaltkontakt einer gewissen Kontamination mit organischen Substanzen ausgesetzt. Fatal ist, dass organische Belegungen in der Regel zu Anfang eines Relaislebens kaum negativ auffallen. Erst mit der Zeit kann es durch Abriebpartikel in der Kontaktzone und Aushärtung / Vercrackung der organischen Belegungen zur Schädigung der Kontakte kommen, die im schlechtesten Fall bis zur Kontaktisolation führt.

In der Relaisentwicklung wird versucht die Wirkung dieser Effekte zu verhindern.
Fünf Einflussfaktoren sind dabei bestimmend:

• Relaiskonstruktion
• Kontaktmaterial
• Oberflächenveredelung
• Oberflächengüte
• Kontaktform

Bei der Relaiskonstruktion stehen die Kontaktkraft und die Bewegung der Kontakte aufeinander im Vordergrund. Die Kontaktkraft wird in erster Linie vom Magnetsystem bestimmt.
Neben der möglichst großen Kontaktkraft spielt die Relativbewegung der Kontakte zueinander eine große Rolle. Sie dient u. a. dazu, die Kontaktoberfläche in der Schaltzone zu reinigen. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass der Selbstreinigungsweg so lang ist, dass Ablagerungen aus der Kontaktzone befördert werden können.
In der Regel werden bei Starkstrom- Printrelais zu denen auch Relais mit zwangsgeführten Kontakten gehören, Silberkontaktwerkstoffe mit einem Fremdanteil bis ca. 10 % eingesetzt. Qualitativ hochwertige Werkstoffe verfügen über eine hohe Formstabilität und gutes Abbrandverhalten. Leider ist die Qualität des Kontaktwerkstoffes nicht nur über die Materialbezeichnung zu definieren. Silberwerkstoffe sind je nach Legierung mehr oder minder anfällig für Korrosion. Wird ein hoher Korrosionsschutz benötigt, führt fast kein Weg an einer Kontaktveredelung mit einem Gold-Overlay vorbei. Meist werden galv. Goldschichten verwendet. Diese Goldschichten müssen geschlossen sein, dabei beträgt die Schichtstärke in der Regel 4 µm bis 6 µm. So genannte Hauchvergoldungen mit Schichtstärken < 1µm sind nur ein Lagerschutz und daher technisch nicht relevant. Beim Einsatz von Goldschichten ist immer zu bedenken, dass schon relativ kleine Schaltlasten ausreichen, um die Goldschichten über die Zeit zu zerstören.

Die Kontaktform ist eine der wichtigsten Stellschrauben für die Zuverlässigkeit von Relais. Über die Jahre haben sich Grundformen gebildet, die immer im Zusammenhang mit der Relaiskonstruktion zu sehen sind. So zeigt die nachfolgende Darstellung die prinzipiellen Unterschiede.

Der am weitesten verbreitete Schaltkontakt ist der Einfachkontakt. Er verfügt über gleich bleibend stabile Kontaktkräfte, hat jedoch nur eine mögliche Kontaktstelle.

Aus dem Einfachkontakt entwickelte sich der Doppelkontakt. Er verfügt über eine geteilte Feder auf der jeweils ein Kontaktstück eingesetzt ist. Mit diesen 2 Kontakten erhöht sich die Kontaktzuverlässigkeit um das 10-fache. Nachteil ist allerdings, dass durch die Teilung der Kontaktfeder die Kontaktkraft verringert wird.

Eine Sonderform bildet der Schneidenkontakt. Er wird gerade da verwendet wo die Kontaktkraft stärker limitiert ist und durch eine höhere Flächenpressung kompensiert werden muss. Gerade bei Telekomrelais werden durch diese Technik sehr gute Resultate erzielt. Nachteil ist, dass die Schneide nicht sehr formstabil ist und bereits bei geringer Last zerstört wird.



Im Kronenkontakt werden die Effekte des Doppelkontaktes und des Schneidenkontaktes vereint. Die Kontakte sind konkav (nach innen gewölbt) und werden leicht außermittig zueinander positioniert. Dadurch entstehen zwei Berührungspunkte. Der Vorteil besteht in der hohen Flächenpressung (Schneidenkontakt) und den zwei Kontaktstellen, die zur Verfügung stehen. Durch die ungeteilte Feder ist der Kraftverlust weitaus geringer als beim Doppelkontakt.

Eine neue Kontaktform ist der Zackenkronenkontakt. Er besteht aus einem Kronenkontakt, bei dem die konkave Krone mit Längsnuten versehen ist. Die nach innen gewölbten Dreiecke schalten gegen einen Einfachkontakt. Somit entsteht ein asymmetrisches Kontaktsystem mit durchschnittlich 12 wirkenden Kontaktstellen. Dies erhöht die Kontaktsicherheit immens, da die hohe Flächenpressung mit einer Vielzahl von Kontaktstellen erweitert wird. Durch die geeignete Wahl der Kontaktgeometrie ist es auf einfache Weise möglich auch bei kleinen Schaltlasten in universal eingesetzten Starkstrom-Printrelais und Relais mit zwangsgeführten Kontakten hohe Zuverlässigkeiten zu erzielen. Wichtig ist dabei, dass die einzelnen Funktionselemente im Relais aufeinander abgestimmt sind und bereits bei der Relaisauswahl durch den Anwender die möglichen Schaltlasten im unteren Schaltlastbereich beachtet werden.

Jürgen Steinhäuser


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Update 01/11/2010