Relais

Technische Lösungen zur Reduzierung von Lichtbögen

Er gilt als Schreckgespenst in der Relaistechnik, knabbert an Lebensdauer sowie Schalt-Performance und kostet so manchen Entwickler einiges an Kopfzerbrechen: der Ein- und Ausschaltlichtbogen. Weder Knoblauch noch Weihwasser vertreiben ihn, stattdessen gelten physikalisches Hintergrundwissen und intelligente Schaltungstechnik als geeignete Antwort auf den unerwünschten Hitzeblitz, der bereits ab 8 V Gleichspannung die Schaltkontakte angreift. Aber bevor Entwickler in den Feldversuch ziehen, gilt es, sich ein wenig mit der Entstehungsgeschichte des Lichtbogens zu beschäftigen.

Die folgenden Ausführungen zeichnen ein grobes physikalisches Bild, wie der Lichtbogen entsteht und was ihn begünstigt oder vermindert. Abschließend folgen einige Tipps & Tricks sowie technische Lösungen zur Reduzierung von Lichtbögen.

Entstehung eines Lichtbogens

In der herkömmlichen Kontakttechnik gibt es kaum einen spannenderen Effekt als den Lichtbogen. Im Ruhezustand ist der Kontakt geöffnet, wobei der Abstand der beiden Kontaktflächen bei Leistungsrelais etwa einen halben Millimeter beträgt.

 

Vollbild

Bild 1. Verlauf eines Lichtbogens zwischen zwei Relaiskontakten.

Schliessen

Bild 1. Verlauf eines Lichtbogens zwischen zwei Relaiskontakten.

Ein Lichtbogen (Bild 1) kann sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten entstehen. Um die jeweilig anspruchsvollsten Lasten zu beschreiben, soll die Last im Einschaltmoment kapazitiv und im Ausschaltmoment induktiv sein. Warum diese Lasten jeweils besonders kontaktschädigend sind, klären die beiden nächsten Abschnitte.

Der Einschaltlichtbogen

Im Einschaltvorgang bereiten kapazitive Lasten wie Kondensatoren oder Glühbirnen die größten Probleme. Grund ist ihr Kurzschlussverhalten durch Ladevorgänge oder das Kaltleiterverhalten (PTC). Der Federkontakt setzt sich nach Anlegen der Spulenspannung in Bewegung, binnen Bruchteilen einer Millisekunde legt er den Weg zum Festkontakt zurück. Sofort beginnt ein hoher Einschaltstrom zu fließen. Doch der entstehende Impuls durch den Aufprall ist so stark, dass der Federkontakt wieder ein Stück zurückschnellt. Der hohe Strom in Verbindung mit einer Spannung von mehr als 8 V (Ionisationsspannung des Metalls) reicht aus, um einen kleinen Lichtbogen entstehen zu lassen.

 

Vollbild

Bild 2. SEM-Aufnahme eines stark beanspruchten Kontaktstücks.

Schliessen

Bild 2. SEM-Aufnahme eines stark beanspruchten Kontaktstücks.

Der Kontakt schließt wieder, doch erst mehrere solcher Prellvorgänge später ist der stationäre Zustand erreicht. Die Kontaktpillen und Zuführungen sind durch die Lichtbogenenergie immer noch stark erhitzt. An der Katodenseite hat sich eine ausgeprägte Spitze gebildet (Bild 2), während im Anodenkontakt ein großes Loch klafft. Physikalische Feinwanderung ist hierfür der Grund.

Die entstehenden Probleme sind offensichtlich. Durch die Spitze kann sich der Kontaktabstand – und damit die Spannungsfestigkeit – des Relais verringern und die Kontakte verschweißen oder verhaken.

Dieser Umstand wird vom Anwender häufig dadurch beschrieben, dass ein defektes Relais nach einem leichten Schlag auf sein Gehäuse wieder einwandfrei funktioniert. Denn durch die Erschütterung lösen sich die verhakten oder verschweißten Kontakte oftmals wieder.

Der Ausschaltlichtbogen

Um einen schönen Ausschaltlichtbogen zu erhalten, wählt man statt einer kapazitiven besser eine induktive Last – zum Beispiel eine Spule. Während bei einer ohmschen Last der Lichtbogen durch die Kontaktöffnung (Stichwort: Isolation) recht schnell abreißt, brennt er bei induktiver Last durch die hohe Abschalt-Gegeninduktionsspannung wesentlich länger nach.

Nun wird die Spule des Relais abgeschaltet, die Kontaktkraft zwischen den noch geschlossenen Kontakten sinkt. Als Resultat steigt der Engewiderstand zwischen den Kontaktpillen, und die Kontaktstelle erhitzt sich nach der Formel P = I² × R, zudem beginnt die Induktionsspannung der Lastspule, dem sinkenden Strom entgegenzuwirken. Durch die Oberflächenspannung des geschmolzenen Kontaktmaterials bildet sich eine leitende Brücke zwischen den nunmehr wenige hundertstel Mikrometer geöffneten Kontakten. Die Hitze steigt weiter an, und die Schmelze beginnt zu sieden. Plötzlich spritzen heiße Metalltropfen explosionsartig zur Seite. Es entsteht eine Metalldampfwolke, und durch den geringen Abstand der Kontakte von 0,5 bis 5 μm liegt ein starkes elektrisches Feld zwischen den Kontakten an. Daher kann bereits bei kleinen Schaltspannungen von etwa 8 V ein instabiler Lichtbogen entstehen. Über ihn und die Metalldampfwolke findet zudem ein schwacher Materialtransport von der Anode zur Katode statt (Feinwanderung).

Die Kontaktöffnung erreicht nun einen kritischen Abstand zwischen 10 und 1000 μm. Der instabile Lichtbogen reißt aufgrund der hohen Selbstinduktionsspannung der Spule immer noch nicht ab. Er hat sich zwischenzeitlich sogar zu einem stabilen Vertreter seiner Art gewandelt, Materialtransport findet nun von der Katode zur Anode statt (Grobwanderung). Die Kontaktöffnung vergrößert sich weiter, und die Induktionsspannung sinkt, bis der Lichtbogen schließlich abreißt. Auf den Kontakten bleibt ein Bild der Verwüstung zurück. Geschmolzenes Kontaktmaterial liegt verspritzt auf den Kontaktstücken, Materialverlust infolge von Verdampfung zehrt an den Kontaktpillen. Durch die Materialwanderung ragt eine Spitze aus der Katode, während sich in der Anode ein tiefer Krater auftut.

1. Teil: Technische Lösungen zur Reduzierung von Lichtbögen
2. Teil: Konstruktive Abhilfen

Weiterführende Links:

• Keramische Vielschichtkondensatoren: Lichtbogenüberschläge bei MLCCs vermeiden