Relais

Technische Lösungen zur Reduzierung von Lichtbögen

Um die beschriebenen Kontaktschädigungen zu vermeiden, bedienen sich Relaisentwickler verschiedener Tricks und Kniffe. Die Kontakte müssen beim Abschalten schnell und weit öffnen, um die Brenndauer des Lichtbogens möglichst kurz zu halten. Dafür sorgt einerseits eine entsprechend hohe Rückstellkraft der Federkontakte, was andererseits aber ein stärkeres Magnetsystem mit höherer Verlustleistung bedingt.

Auch der Materialeinsatz spielt eine wichtige Rolle. Große Kontakte, welche über eine gute Vernietung mit breiten und dicken Zuführungen verbunden sind, verfügen nicht nur über gute Stromtragfähigkeiten, sondern leiten auch die entstehende Wärme besser vom Kontakt weg. Somit wird die Metallaufschmelzung erschwert. Nachteil ist der höhere Preis für die Kontakte. In Zeiten stark steigender Rohstoffpreise, vor allem für Kupfer, zählt hier jedes verbaute Gramm. Besonders Low-Cost-Anbieter setzen am Materialeinsatz gerne die Kostenschraube an.

Eine weitere Möglichkeit ist die richtige Auswahl des Kontaktmaterials. Gegenüber reinen Silberkontakten bieten zum Beispiel Legierungen oder Verbundwerkstoffe aus Silber und Nickel eine höhere Abbrandfestigkeit. Auch Silberkadmium fand früher dank seiner guten Warm- und Schweißfestigkeit oft Verwendung, ist aber aufgrund der Giftigkeit von Kadmium mittlerweile weitgehend vom Markt verschwunden. Als Ersatz kommt in modernen Relais Silberzinnoxid zum Einsatz.

 

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Bild 3. Geöffnetes JC-Relais von Panasonic Electric Works. Hinter dem Kontakt sitzt der Blasmagnet.

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Bild 3. Geöffnetes JC-Relais von Panasonic Electric Works. Hinter dem Kontakt sitzt der Blasmagnet.

Reichen diese Maßnahmen nicht aus, kann der Einsatz eines sog. Blasmagneten weiterhelfen. Dieser Dauermagnet lenkt den aus elektrisch geladenen Teilchen bestehenden Lichtbogen ab und begünstigt so seine Löschung. Der Magnet muss so angebracht sein, dass die Magnetfeldlinien im Winkel von 90° gegenüber der Stromflussrichtung liegen. Ein Beispiel für diese Lösung ist das JC-Relais von Panasonic Electric Works. In Bild 3 ist deutlich sein Bariumferrit-Magnet zwischen den beiden Schließerkontakten zu sehen.

Schaltungstechnische Abhilfen

Neben den konstruktiven Maßnahmen hält das Elektronik-Einmaleins zahlreiche Schaltungstricks bereit, um Lichtbögen zu vermindern oder gar nicht erst entstehen zu lassen. Oft realisiert und aus der modernen Schaltungstechnik kaum mehr wegzudenken ist die Freilaufdiode, welche antiparallel zur induktiven Last liegt. Im Normalbetrieb leitet die Diode nicht. Erst die Induktionsspannung mit umgekehrtem Richtungssinn liegt in Flussrichtung der Diode und sorgt für einen Stromfluss, bis die magnetische Energie der Induktivität entladen ist. Die Spannung am Kontakt erhöht sich dabei lediglich um die Durchbruchspannung der Diode, womit das Problem der Spannungsüberhöhung beim Abschalten der Induktivität gelöst ist. Allerdings steigt bei dieser Methode die Abfallzeit, falls die Induktivität zum Beispiel die Spule eines zu schaltenden Schützes ist.

Neben den konstruktiven Maßnahmen hält das Elektronik-Einmaleins zahlreiche Schaltungstricks bereit, um Lichtbögen zu vermindern oder gar nicht erst entstehen zu lassen. Oft realisiert und aus der modernen Schaltungstechnik kaum mehr wegzudenken ist die Freilaufdiode, welche antiparallel zur induktiven Last liegt. Im Normalbetrieb leitet die Diode nicht. Erst die Induktionsspannung mit umgekehrtem Richtungssinn liegt in Flussrichtung der Diode und sorgt für einen Stromfluss, bis die magnetische Energie der Induktivität entladen ist. Die Spannung am Kontakt erhöht sich dabei lediglich um die Durchbruchspannung der Diode, womit das Problem der Spannungsüberhöhung beim Abschalten der Induktivität gelöst ist. Allerdings steigt bei dieser Methode die Abfallzeit, falls die Induktivität zum Beispiel die Spule eines zu schaltenden Schützes ist.

 

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Bild 4. Schutzbeschaltungen.

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Bild 4. Schutzbeschaltungen.

Alternativ zu einer herkömmlichen Diode können auch Zener-Dioden oder Varistoren eingesetzt werden. Der Einfluss auf die Abfallzeit ist hier geringer, aber die Kontaktspannung erhöht sich beim Varistor auf etwa das Dreifache der Betriebsspannung und bei der Zener-Diode um deren Durchbruchspannung. Häufig kommt auch ein RC-Glied als Schutzbeschaltung zum Einsatz. Bei richtiger Dimensionierung des Kondensators liegt nur eine sehr kleine Kontaktspannung an, welche durch den Widerstand bestimmt wird. Er vermindert die Einschaltbelastung des Kondensators. Bild 4 zeigt eine Zusammenfassung der beschriebenen Schutzmöglichkeiten.

Autor:

Dipl.-Ing. (FH) Markus Bichler
hat an der Fachhochschule Rosenheim Elektround Informationstechnik studiert. Seit Juli 2006 arbeitet er als Applikationsingenieur in der Abteilung Komponenten bei der Panasonic Electric Works Deutschland GmbH.

ma.bichler@eu.pewg.panasonic.com

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

Weiterführende Links:

• Keramische Vielschichtkondensatoren: Lichtbogenüberschläge bei MLCCs vermeiden