Aspekte einer effektiven Relais-Auswahl in puncto Materialauswahl

Lang soll es leben

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Bei der Auswahl der verschiedenen Relaistypen sind Größe, Form und Material ihrer Kontaktpillen entscheidend, um das Ziel einer möglichst langen Lebensdauer zu erreichen. Besonders die chemische Zusammensetzung der verwendeten Metalle lag jüngst im Fokus der Entwickler, denn durch die RoHS-Richtlinie hat sich so manche Änderung ergeben.

Welche Materialien heute gebräuchlich sind, und für welche Anwendung sich welcher Kontaktwerkstoff eignet, klärt folgender Artikel.

Wie im wahren Leben spielen auch bei Relais die richtigen Kontakte eine entscheidende Rolle. Grundlegend unterscheidet man in der Relaistechnik zwischen Signallasten bis etwa 2 A und Schaltströme im Leistungsbereich ab 2 A. Die zwei Lastbereiche stellen aufgrund der unterschiedlichen physikalischen und chemischen Vorgänge im Schaltvorgang verschiedene Anforderungen an die verwendeten Kontaktmaterialien.
Charakteristikum von Ag-Kontakten
Wer in Physik aufgepasst hat, der favorisiert sofort Silber als perfektes Kontaktmaterial. Schließlich gilt Silber mit seinem niedrigen spezifischen Widerstand von 0,0159 Ω • mm2/m als nahezu idealer Leiter, es treten kaum Verluste im Strompfad auf. Wer aber nicht nur in Physik, sondern auch in Chemie die Ohren offen hielt, erkennt, dass Silberkontakte für kleine Lasten nicht geeignet sind. Grund hierfür ist die Reaktion des Silbers mit Schwefel aus der Umgebungsluft, gut zu beobachten als dunkle Oxidschicht auf Großmutters Silberbesteck. Gleiches geschieht auch mit den Kontakten. Kleine Lasten können nun nicht genug Energie aufbringen, um diese schlecht leitfähige Oxidschicht beim Schalten thermisch zu zerstören.
Für diese geringen Lasten sind so genannte Signalrelais mit hartvergoldeten Silberkontakten oder Kontakten aus einer Silber-Palladium Legierung (AgPd) besser geeignet. Gold hat gegenüber Silber den großen Vorteil, dass es selbst bei widrigen äußeren Einflüssen äußerst resistent gegen Korrosion ist. Somit bildet sich auch bei längerer Lagerung keine Oxidschicht und die Kontakte bleiben niederohmig. Silber-Palladium Kontakte sind genauso resistent gegenüber Korrosion wie Goldkontakte, warten aber mit einer höheren Härte auf, was auf der einen Seite die Schaltsicherheit verbessert. Auf der anderen Seite neigt Silber-Palladium jedoch dazu, beim Schalten ohne Last (Trocken-Schalten) Polymere zu bilden. Diese Polymere, auch Brown Powder-Effekt genannt, sind nicht leitfähig. Dadurch erhöht sich der Kontaktwiderstand. Diesen unerwünschten Effekt vermeidet eine zusätzliche Goldschicht auf dem Festkontakt des Relais.
Weder Palladium, Silber oder Gold stehen auf der RoHS-Liste gefährdender Substanzen, so dass bei Signalrelais lediglich die bleihaltige Vorverzinnung der Anschlussbeinchen, nicht aber das Kontaktmaterial geändert wurde.
Kontaktwerkstoffe bei großen Lasten
Im Gegensatz zu kleinen Lasten sind Silberkontakte im Leistungsbereich goldrichtig. Denn bei Strömen größer 2 A spielt die hochohmige Oxidschicht keine Rolle mehr, der im Schaltvorgang entstehende Lichtbogen zerstört die Korrosion.
Reine Silberkontakte kommen bei Leistungsrelais dennoch kaum zum Einsatz. Vor Einführung der RoHS-Richtlinie war Silber-Kadmium (AgCd) wegen seines hohen Schmelzpunktes ein beliebtes Kontaktmaterial. Mittlerweile setzten die Hersteller auf umweltfreundliche Silberlegierungen wie Silberzinnoxid (AgSnO2), das ebenfalls einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Wie elementar diese Eigenschaft ist, zeigt folgendes Beispiel, das einen kompletten Schaltvorgang in seine Einzelschritte zerlegt.
Zeitlicher Ablauf der Relais-Beanspruchung
Die erste Belastungsprobe entsteht beim Einschalten des Relais, um beispielsweise einen Motor mit Strom zu versorgen. Dabei treffen die Kontakte mit einer hohen Kraft aufeinander, woraus unerwünschtes Prellen resultiert. Bei jeder kurzzeitigen Kontaktöffnung entsteht ein energiereicher Lichtbogen, der die Kontakte erwärmt. Hier spielt Silberzinnoxid seinen Vorteil eines höheren Schmelzpunktes aus, der Kontakt ist resistenter gegen Verschweißungen.
Im zweiten Schritt führen die Kontakte den Motorstrom. Ein geringer Kontaktwiderstand minimiert die elektrischen Verluste über den Kontakt und damit die Eigenerwärmung des Relais. Silberzinnoxid erreicht hier Größenordnungen im Milliohm-Bereich. So konnte im Labor von Panasonic Electric Works bei einer Messung von 50 typischen Leistungsrelais ein Kontaktwiderstand zwischen 3 und 14 m Ω ermittelt werden.
Die größte Beanspruchung der Kontakte entsteht beim Abschalten. Analog zum Schließen entsteht erneut ein Lichtbogen, der je nach Leistung und Kontaktöffnung im schlimmsten Fall sogar dauerhaft oder bis zur Zerstörung der Kontakte anliegt. Wieder punktet Silberzinnoxid mit seinem gegenüber Reinsilber höheren Schmelzpunkt, die Lebensdauer der Kontakte erhöht sich signifikant.
Die drei genannten Schaltfälle beanspruchen die Kontakte unterschiedlich stark. Daher ist es in der Praxis üblich, die 5-2-1-Regel anzuwenden. Das bedeutet, dass ein 5-fach höherer Strom eingeschaltet, ein doppelt so hoher Strom geführt und der im Datenblatt angegeben Strom ausgeschaltet werden kann, ohne die im Datenblatt angegebene Lebensdauer negativ zu beeinflussen. Diese Regel ist als Richtwert zu sehen und ist nicht allgemeingültig. Im Zweifelsfall kann der technische Support von Panasonic kontaktiert werden.
Die aufgeführten Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, die Kontaktwahl auf die Art der Anwendung abzustimmen. Nur so kann eine lange Lebensdauer des Relais gewährleistet werden. So hängt zusätzlich zu den Kontaktmaterialien die Kontaktzuverlässigkeit eines Relais auch von den Umgebungsbedingungen ab. Ein wichtiger Punkt worauf man achten sollte, ist dass sich kein Silikon in der Nähe des Relais befindet. Denn auch wenn ein Relais mit einem nach der Schutzklasse RT3 versiegelten Gehäuse verwendet wird, kann das Silikon durch das Gehäuse diffundieren und sich auf den Kontakten absetzen. Als Folge ist es möglich, dass das Relais total ausfällt.
Für den Fall, dass ein Relais nur selten sehr kleine Lasten schaltet, sollten die Kontakte regelmäßig gereinigt werden, um eine hohe Schaltsicherheit zu gewährleisten. Eine Reinigungsvariante ist das Trocken-Schalten. Dabei schaltet das Relais etwa einmal pro Woche ohne Last mindestens fünfmal kurz hintereinander. Durch das Abrollen der sich berührenden Kontakte wird eine mögliche Fremdschicht entfernt.
Signalrelais KEM 430
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