Kontaktmaterialien für Leistungsrelais Gold oder nicht Gold?

In der Industriewelt spreizt sich das Anforderungsprofil von Relais immer weiter auf. So nehmen die Minimallasten von Kontakten mittlerweile denselben Stellenwert ein wie die Maximallasten. Leistungskontakte mit einer Goldschicht waren lange Stand der Technik. Ist dies immer die beste Lösung?

von Markus Bichler, Senior Manager Product Management Components & Devices Power Relay Section bei Panasonic Electric Works Europe.

Moderne Leistungsrelais sollen möglichst alle Arten von Lasten vom SPS-Eingang bis zur Magnetventilinsel abdecken, selbstverständlich auch für Low-Demand-Applikationen. Leistungskontakte mit einer Goldschicht zu versehen und so fit zu machen für Lasten im Volt- und Milliamperebereich galt lange Zeit als die beste Lösung.

Doch stimmt das tatsächlich? Unter welchen Bedingungen werden hartvergoldete Kontakte sinnvoll eingesetzt? Und was vermag das glänzende Edelmetall auf einem Leistungskontakt wirklich zu leisten?

Vergoldung ist nicht gleich Vergoldung. In der Relaisterminologie unterschiedet man zwischen Hauchvergoldung (Gold Flash) und Hartvergoldung (Gold Clad oder auch AU Plated). Der wichtigste Unterschied liegt hier in der Dicke der Goldschicht. Während die Hauchvergoldung lediglich dem Korrosionsschutz für Lagerung und Transport dient und hierfür eine nicht flächendeckende Schichtdicke von etwa 0,3 µm ausreicht, muss eine Hartvergoldung ihre Eigenschaften auch über die Lebensdauer der Kontakte beibehalten. Etwa 3 µm sollte der Relaishersteller daher schon spendieren. Bild 1 zeigt die Goldschicht eines Relais mit galvanisch hartvergoldeten Kontakten vom Typ APF von Panasonic.

In jedem Fall ist es wichtig, eine ordentliche Hartvergoldung zu wählen. Spart der Hersteller an Material oder Verarbeitungsqualität, erhält man unter Umständen eine löchrige Goldschicht und verliert somit die gewünschten Eigenschaften.

Vor- und Nachteile einer Hartvergoldung 

Gold ist beständig gegen Oxidation und Sulfidierung, bildet also keine Oxid- oder Sulfidschicht aus, die den Kontaktwiderstand erhöht. Herkömmliche Relais sind stets mit Luft und damit auch mit Sauerstoff gefüllt, zudem kann Feuchtigkeit durch die Kunststoffgehäuse diffundieren und die üblicherweise verwendeten Silberkontakte (typisch Silberzinnoxid AgSnO2 oder Silbernickel AgNi) oxidieren lassen.

Schaltet ein Leistungsrelais regelmäßig mit typischen Lasten wie etwa 230 V/2 A, zerstören der Lichtbogen und die entsprechende Wärme diese Oxidschicht und reinigen so den Kontakt. Eine Goldschicht ist nicht notwendig, im Gegenteil – sie wäre lastabhängig sofort oder bereits nach wenigen Schaltzyklen weggebrannt. Eine kleine Last im Bereich von 1 V und wenigen Milliampere bildet aber keinen Schaltlichtbogen aus. Die Kontakte werden daher nicht mehr elektrisch gereinigt. In Low-Demand-Anwendungen, charakterisiert durch Schalthäufigkeiten von wenigen Schaltungen pro Jahr oder sogar nur einer möglichen Schaltung in mehreren Jahren, fällt zudem auch die mechanische Reinigungswirkung durch das Abrollen des Federkontaktstückes auf das Festkontaktstück weg. Im schlimmsten Fall wird der Kontakt so hochohmig, dass die nachfolgende Auswerteelektronik die zu schaltenden Signale nicht mehr zuverlässig erkennen kann. Vergleichende Untersuchungen an einem Panasonic-Relais SF4D zeigen den Vorteil einer Hartvergoldung vor allem in der Stabilität des niedrigen Kontaktwiderstands auf (siehe Kasten »Kontaktwiderstand von Standard- und Goldkontakten über die Lebensdauer«).

Der große Nachteil einer Hartvergoldung liegt im Mehrpreis. Je nach Stückzahl und Relaistyp liegen die Kosten bei 50 Cent bis über einen Euro pro Kontakt. Hier spielen nicht nur die Material- und Prozesskosten für eine ordentliche Vergoldung eine Rolle, sondern auch oftmals geringe Einkaufsvolumina und getrennte Lagerhaltung über die gesamte Produktionskette hinweg bis zur Produktlagerhaltung.

Gerade im Bereich der Relais mit zwangsgeführten Kontakten, die typischerweise über vier oder sechs Kontakte verfügen, summiert sich der Aufpreis entsprechend und kann so manche Budgetplanung durcheinanderwirbeln. Hier lohnt es sich, genau zu prüfen, ob Goldkontakte überhaupt vonnöten sind oder ob eine Hartvergoldung an nur einem oder zwei Kontakten ausreichend ist.