Brennpunkt: Lebensdauer von Relais
Schaltlichtbogen bei DC-Lasten


Die Lebensdauer von elektromechanischen Relais wird von Kontaktabbränden - verursacht durch Schaltlichtbögen - wesentlich beeinflusst.

Durch eine geeignete Relaiskonstruktion und vor allem aber durch eine Schaltungstechnik, die der geschalteten Last angepasst ist, kann dieser unerwünschte Einfluss gemindert oder gar nahezu aufgehoben werden.

Dieses Bild zeigt einen grün schimmernden Schaltlichtbogen beim Abschalten einer Induktivität. Die Ausprägung wird durch die Höhe und Art der geschalteten Last bestimmt. Die Physik der Schaltlichtbögen mit ihren sehr differenzierten Zusammenhängen und Wirkungen im Detail soll hier nicht näher erläutert werden. Für die Beherrschung in der Anwendung mittels Schaltungstechnik reicht in der Regel die Kenntnis des Auftretens als solches aus.

Konstruktive Maßnahmen
Die spezielle konstruktive Auslegung des verwendeten Relais sowie die verwendeten Werkstoffe bieten für den Einsatz grundlegende Eigenschaften. Hinzu kommen die Stabilität und das Niveau der Fertigungsqualität.

Der Materialeinsatz für die Kontaktstücke und deren Formgebung spielen eine wichtige Rolle. Kontaktstücke, welche mittels einer guten Vernietung (Fertigungsqualität) mit den Zuleitungen verbunden sind, verfügen nicht nur über eine gute Stromtragfähigkeit, sondern können auch die entstehende Wärme besser vom Kontaktstück wegleiten. Der Kontaktabbrand durch Schaltlichtbögen wird vermindert.

Auf die Auswahl des Kontaktmaterials ist zu achten. Verbundwerkstoffe z. B. aus Silber und Nickel oder Silber und Zinndioxid bieten eine höhere Abbrandfestigkeit und geringere Verschweißneigung gegenüber einfachen Silberlegierungen. Nachteil ist sicher der höhere Preis für Materialeinsatz und Fertigung. Low-Cost-Anbieter setzen am Materialeinsatz und auch bei der gefertigten Qualität gerne die Kostenschraube an.

Eine weitere Möglichkeit, dem Kontaktabbrand entgegen zu wirken, ist der Einsatz eines Blasmagneten. Hierbei lenkt ein Dauermagnet den Lichtbogen ab und begünstigt so seine Löschung. Der Magnet muss so angebracht sein, dass die Magnetfeldlinien im Winkel von 90° zur Stromflussrichtung liegen.

Ein Beispiel für diese Lösung ist das JC-Relais von Panasonic Electric Works. Dieses Bild zeigt einen Schnitt durch das Gehäuse, deutlich ist der Magnet neben dem sichtbaren der beiden Schließer zu sehen.

Schalttechnische Maßnahmen
Neben den konstruktiven Maßnahmen hält das Elektronik-Einmaleins zahlreiche Schaltungstricks bereit, um Schaltlichtbögen zu vermindern oder gar nicht erst entstehen zu lassen. Es handelt sich dabei um Beschaltungen der geschalteten Last. Allen Möglichkeiten ist gemeinsam, dass diese Beschaltung so nah wie möglich an der Last anzubringen ist. Es werden damit unerwünschte elektromagnetische Abstrahlungen minimiert.

Aus der Schaltungstechnik kaum mehr wegzudenken ist die sogenannte Freilaufdiode. Diese ist parallel zur induktiven Last angeordnet, aber in Sperrrichtung zur geschalteten Stromflussrichtung. Bei angeschalteter Last leitet die Diode nicht. Erst für die Polarität der Induktionsspannung wird die Diode in Flussrichtung beansprucht und sorgt für einen Stromfluss bis die in der Induktivität gespeicherte Energie umgesetzt ist.
Die Spannung am Kontakt erhöht sich dabei lediglich um die Schwellenspannung der Diode. Nebenwirkung ist, dass bei dieser Methode die Rückfallzeit der geschalteten Induktivität, zum Beispiel die Spule eines Relais, Schützes oder Ventils um etwa den Faktor 4 bis 5 ansteigt. Alternativ dazu können auch Zener- Dioden, Varistoren (VDR) oder auch RC Glieder eingesetzt werden. Der Einfluss auf die Rückfallzeit ist hier deutlich geringer.

Bei Verwendung einer Zener-Diode (in der Regel mit einer in Reihe geschalteten „normalen“ Diode, um einen Stromfluss durch die Zener- Diode in deren Flussrichtung zu unterbinden) erhöht sich die Spannung am Kontakt um den Wert der Zener- Spannung. Die Rückfallzeit erhöht sich um weniger als das Zweifache.

Bei Verwendung eines Varistors erhöht sich die Spannung am Kontakt um den Wert der Durchbruchspannung. Die Erhöhung der Rückfallzeit ist abhängig von der Durchbruchspannung des Varistors. Die Rückfallverzögerung ist im Regelfall vernachlässigbar klein.

Bei Verwendung von RC-Gliedern als Schutzbeschaltung ist die optimale Anpassung an die geschaltete Last besonders wichtig. Der Kondensator minimiert die Erhöhung der Spannung am Kontakt. Sie wird nur durch den in Reihe mit dem Kondensator liegenden Widerstand bestimmt. Die Änderung der Erhöhung der Spannung über die Zeit gesehen ist abhängig von der Zeitkonstanten R*C.

Einschaltvorgang
Beim Einschalten von kapazitiven Lasten sowie bei Lampenlast treten kurzzeitige Stromspitzen auf, die zu einer punktuell starken Erwärmung der schaltenden Kontakte führen können. Das Risiko ist das Verhaken bzw. Verschweißen der Kontaktstücke. Diesem Effekt kann durch eine Anpassung des verwendeten Kontaktmaterials entgegengewirkt werden.
Reicht dies nicht aus, gibt es die Möglichkeit von einem z. B. mit Wolfram bestückten Kontakt die Stromspitze abzufangen, um danach auf einen mit gut leitenden silberbasierten Kontaktwerkstoff versehenden Kontakt umzuschalten (beim Schließen eilt der mit Wolfram als Kontaktwerkstoff versehende Kontakt dem gut leitenden Kontakt zeitlich voraus). Ähnliches ist auch mit einem zeitlich begrenzt wirksamen Vorwiderstand zur Bedämpfung der Stromspitze machbar.

Zusammenfassung
Beim Schalten von Lasten sind Schaltlichtbögen ein normales Ereignis. Die unerwünschte Wirkung auf den Verschleiß - den Kontaktabbrand, kann aber durch die richtige Auswahl des geeigneten Relais und die an die jeweilige Last angepasste Beschaltung auf ein vertretbares Maß herabgesetzt werden.

Wesentlich für eine Optimierung ist die Kenntnis der erwarteten Beanspruchung, wie Art und Höhe sowie Häufigkeit der zu schaltenden Last. Auftretende Probleme in der Anwendung lassen sich oft vermeiden, wenn die Relaisspezifikationen im Vorfeld mit dem Relaishersteller agebklärt werden.


Markus Bichler, Panasonic Electric Works Deutschland GmbH


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Update 04/11/2014