Kontaktmaterialien für Leistungsrelais

Gold oder nicht Gold?

20. September 2017, 8:53 Uhr | Ralf Higgelke

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Minimal- und Maximallasten beachten

Auf die grundlegende Idee, hartvergoldete Kontakte in einer Anwendung einzusetzen, folgt meist die Frage nach den möglichen Minimal- und Maximallasten. Wie gering darf die Last für ein zuverlässigen Schaltverhalten und wie hoch darf die Last maximal sein, um die Goldschicht nicht zu zerstören?

Eins vorweg: Eine simple Antwort oder klar definierte Grenzen gibt es hier nicht. Auf der einen Seite geben verschiedene Relaishersteller oftmals ganz unterschiedliche einzelne Werte an, auf der anderen Seite fordern Kunden zum Teil sogar Grenzkurven für die Minimal- und Maximallast. Die Vielzahl der Einflussfaktoren lässt eine einfache Wertangabe oder pauschale Aussagen aber kaum zu.

So tummeln sich alleine bei Panasonic dutzende Angaben zu erzielbaren Minimallasten. Von Größenordnungen wie 100 µA bei 1 V (DC), eher bei den Signalrelais bekannt, bis 24 V bei 1 mA überstreifen die Angaben ein breites Werteband. Warum das so ist, lässt sich leicht erklären.

Eben weil keine pauschale Aussage zur Minimallast eines Goldkontaktes möglich ist, widmen sich die Hersteller einerseits der Kundenanforderung und andererseits der Mess- und Prüfmöglichkeiten in der Fertigung. Denn aus Herstellersicht ist es nicht vertretbar, niedrigere Werte als gefordert oder prüfbar zu bestätigen.

Am anderen Ende der Skala, im Bereich der maximal möglichen Lasten ohne Zerstörung der Goldschicht, liegt zunächst die Frage nach dem Lichtbogen nahe. Ist die Last klein genug, bildet sich kein Lichtbogen aus und kann somit die Goldschicht auch nicht zerstören. In dem umfassenden Kompendium »Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen« von E. Vinaricky sind die Grenzwerte für Lichtbogen bei Gold mit 15 V und 0,3 A (ohmsche Last) angegeben. Doch was bedeutet das nun genau? Ist bei 16 V und 300 mA die Goldschicht sofort zerstört? Kann die Spannung bei niedrigerem Strom höher sein und umgekehrt? Diese Fragen gehen einher mit der Lebensdauer der Goldschicht. Um dieses Thema in der Praxis etwas näher zu beleuchten, führte Panasonic Langzeittests an Relais der Reihe APF mit hartvergoldeten Kontakten durch.

Haltbarkeit einer Hartvergoldung

Der Umfang der Tests war dabei recht groß. Es galt nicht nur, die Lasten entsprechend oft zu schalten, sondern es waren auch detaillierte Analysen der Goldschicht nach unterschiedlichen Lebensdauern durchzuführen. Der Test umfasste folgende Lasten: 

  • 36 V (DC) bei 50 mA (ohmsche Last),
  • 48 V (DC) bei 100 mA (ohmsche Last),
  • 125 V (DC) bei 5 mA (ohmsche Last).

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Bild 2: Geschlossene Goldschicht bei Relais APF nach 5000 Schaltspielen bei 48 V/100 mA.
© Panasonic Electric Works Europe
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Bild 3: Bei 125 V/5 mA war die Goldschicht nach 5000 Schaltspielen an einer kleinen Stelle zerstört.
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Die erste Analyse nach 5000 Schaltzyklen zeigte bei 36 V/50 mA sowie 48 V/100 mA nur minimale Schaltspuren und eine geschlossene Goldschicht (Bild 2). Deutlichere Schaltspuren nach 5000 Schaltzyklen wies dagegen das Relais bei der Last 125 V/5 mA auf, hier schimmerte an einer kleinen Stelle bereits die Silberlegierung des Kontaktes durch, wie Bild 3 zeigt.

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Bild 4: Die Spektralanalyse zeigt erste Spuren vom Kontaktsilber nach 100 000 Schaltspielen bei 36 V/50 mA.
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Im weiteren Verlauf entdeckte das optische Leica-Mikroskop DVM6 bei 48 V nach 10.000 Schaltspielen erste Silberspuren, nach 20.000 Zyklen sah der Kontakt ähnlich aus wie bei 125 V nach 5000 Zyklen. Deutlich tapferer schlug sich das Relais bei Spannung von 36 V. Bei 50.000 Schaltzyklen blieb die Goldschicht des APF-Relais immer noch geschlossen, erst die Spektralanalyse bei 100.000 Schaltspielen brachte Spuren von Silber hervor – wobei der Kontakt rein optisch nahezu unversehrt schien (Bild 4).

Rein mechanisch kann eine Goldschicht 1 Mio. Schaltspiele und mehr überdauern. Die Tests zeigen aber, dass die Lebenserwartung einer Hartvergoldung auch lastabhängig ist und kein Schwarz-Weiß-Bild zeichnet, also nicht sofort beim einmaligen Schalten einer etwas höheren Last zerstört wird und verloren geht. Bei hohen Lasten mit deutlicher Lichtbogenausprägung ist dies allerdings schon zu erwarten. 

Resümee

Wann sollten nun Goldkontakte in Betracht kommen und wann nicht? Letztlich kann die Antwort nur von Anwendung zu Anwendung einzeln fallen.

Eine Hartvergoldung von Leistungsrelaiskontakten empfiehlt sich immer dann,

  • wenn der Kontaktwiderstand über eine lange Lebensdauer möglichst niedrig und konstant sein soll,
  • wenn sehr selten kleine Lasten geschaltet und eine Oxid- oder Sulfidschicht vermieden werden sollen und
  • wenn sehr kleine Lasten unterhalb der Datenblattangabe zu schalten sind.
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Bild 5: Deutliche Abbrandspuren am Wechslerkontakt eines APF-Relais (Lastart DC13).
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Falls es lediglich gilt, kleine Lasten regelmäßig und sehr oft zu schalten, kann man auf eine Goldschicht womöglich auch verzichten. Der mechanische Reinigungseffekt des Abrollens sorgt dann in der Regel ebenfalls für eine saubere Kontaktoberfläche.

Wenig Vorteile bringen Goldkontakte bei Wechslern, die etwa auf der Schließerseite hohe Lasten schalten und über die Öffnerseite mit einer kleinen Last überwacht werden. Bei hohen Lasten, insbesondere induktiver Art, verschmutzen Relais signifikant, was auch vor Goldkontakten nicht Halt macht. Das Ergebnis in Bild 5 sagt mehr als tausend Worte.

Alles in allem lässt sich also die Frage ob Gold eingesetzt wird oder nicht – wie viele andere Fragen – nicht pauschal beantworten. Dieser Beitrag soll lediglich als Übersicht und kleine Hilfestellung dienen. Bei Unsicherheiten hinsichtlich der Verwendung von Goldkontakten lohnt es sich, die Applikationsabteilung des Relaisherstellers zu kontaktieren.

Kontaktwiderstand von Standard- und Goldkontakten über die Lebensdauer

Um den Einfluss von Goldkontakten auf den Kontaktwiderstand in der Praxis zu testen, unterzog Panasonic das Relais SF4D einem Lebensdauertest über 1 Million Schaltspiele bei einer Umgebungstemperatur von +60 °C und einer Last von 5 V/1 mA.

Die Messung des Kontaktwiderstands fand alle tausend Schaltspiele statt. Verglichen wurde Goldschichtdicken von 0,5 µm und 3,0 µm. Zu Beginn des Tests lagen die Kontaktwiderstandswerte beider Typen um die 10 mΩ. Die Goldkontakte zeigten während des Tests einen sehr stabilen Kontaktwiderstand (Bild unten links), der nach 1 Million Schaltspielen im Schnitt bei 9,1 mΩ lag, mit Minimal-/Maximalwerten von 5,6 mΩ bis 13,4 mΩ. Deutlich inkonsistenter verhielten sich dagegen die Standardkontakte (Bild unten rechts). Zwar kann der Durchschnittswert von 26,5 mΩ überzeugen, es gab aber auch Ausreißer mit deutlich über 1 Ω. Ob dies in der Praxisanwendung wirklich kritisch oder ausschlaggebend ist, muss von Fall zu Fall entschieden werden.


 
 

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  1. Gold oder nicht Gold?
  2. Minimal- und Maximallasten beachten

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