Whitepaper: Das Phänomen des Kontaktlichtbogens

Was genau ist ein Lichtbogen? Wie wird er gezündet, und wodurch wird er gelöscht? Wie wirkt sich ein Lichtbogen auf die Lebensdauer von Relaiskontakten aus?

Diese und weitere Fragen werden nachfolgend besprochen. Wir hoffen, dass Sie dadurch besser verstehen, wie Sie die längstmögliche Lebensdauer für Relaiskontakte dieser Art erzielen.

Doch zunächst nehmen wir uns etwas Zeit, um einige der Begriffe zu definieren, die wir verwenden werden.

Zuallererst bezieht sich „Verengung“ auf die allererste, winzige Kontaktfläche zu machen, und den allerletzten Punkt zu brechen.

Die Schmelzspannung ist die Spannung, die an der Verengung anliegt und einen Strom erzeugt, der ausreicht, um das Kontaktmaterial an der Verengung zu verflüssigen.

Die Lichtbogenspannung ist der Spannungsbetrag, der an durch eine kleine Lücke getrennten Kontakten anliegt und eine elektrische Entladung verursacht, die den Abstand überbrückt.

Und schließlich ist die Lichtbogenspannung die Strommenge, die erforderlich ist, um einen durch die elektrische Entladung mit Bogenspannung verursachten Lichtbogen gerade noch aufrechtzuerhalten.

Behalten Sie diese Begriffe im Hinterkopf, wenn wir Sie in die Welt der Relaiskontakte entführen – eine ziemlich raue Umgebung. Schauen wir uns die Auswirkungen von Kontaktlichtbogenbildung mikroskopisch an.

Wie Sie wissen, ist das Endergebnis von Kontaktlichtbogenbildung eine verkürzte Kontaktlebensdauer. Je nach Schweregrad und Dauer des Bogens tritt jedes Mal, wenn ein Bogen entsteht, Kontakterosion auf. Diese Erosion führt zu einem Verlust von Kontaktmaterial, was eine von zwei Zuständen zur Folge haben wird.

Zustand Nr. 1 ist, dass so viel Material von den Kontakten verloren geht, dass sie den Lastkreis nicht elektrisch schließen können. Zustand Nr. 2 ist, dass ein Kontakt so viel Material an den anderen Kontakt verliert, dass ein Spitze-und-Krater-Ergebnis entsteht. 

Der Begriff Synchronisierung, der sich auf das Schalten von Wechselstromlasten bezieht, wird in diesem Anwendungshinweis mehrfach verwendet. In diesem Zusammenhang ist Synchronisierung der Betrieb eines Relais in der Art und Weise, dass die Kontakte am gleichen Punkt auf der Wellenform der Lastversorgungsspannung oder primär bei gleicher Polarität auf der Sinuswelle der Lastspannung schließen oder öffnen (oder beides).

Eine solche Synchronisierung führt zu einer Nettoübertragung von Kontaktmaterial zwischen Kontakten. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit einer mechanischen Verriegelung und/oder des Schweißens von Kontakten und reduziert somit die erwartete Kontaktlebensdauer. Alle unsere veröffentlichten Bewertungen und Lebenstestergebnisse basieren, sofern nicht anders angegeben, auf zufälligen Schaltungen im Verhältnis zur Lastversorgungsfrequenz.

Die unbeabsichtigte Synchronisierung der Kontakte mit der Reihenfrequenz kann durch die folgenden Szenarien verursacht werden, ist aber nicht beschränkt auf sie:

• Mikrocontroller synchronisiert mit Netzteilfrequenz
• Thyristoren synchronisiert mit Netzteilfrequenz
• Unzureichende Filterung des Gleichstromnetzteils, das die Spule antreibt
• Induziertes Leitungsfrequenzrauschen in Sensorschaltungen 

Seien Sie vorsichtig bei der Schaltungskonstruktion, da eine beabsichtigte „Nulldurchgangsschaltung“, die unsachgemäß ausgelegt ist, zu einem Kontaktverschluss und insbesondere zu einem Abpraller bei höherem Stromfluss und bei gleicher Polarität führen kann.

Ein weiteres Ergebnis schwerer Lichtbögen, die ab und zu auftreten können, ist das Kontaktschweißen. In der Regel ist es jedoch ein Beweis dafür, dass das Relais in einer Schaltung falsch angewendet wurde, in der Spannung und/oder Strom viel größer sind, als das jeweilige Relais verarbeiten kann.

In Bezug auf einen Spitze-und-Krater-Zustand kann der hohe Punkt – d. h. die Spitze – mechanisch am Rand des Kraters aufhängen, wenn der Zustand stark genug wird. Wenn das Relais dann abgeschaltet wird, können sich die Kontakte nicht öffnen, und die Last befindet sich in einem unkontrollierten Zustand. Selbstverständlich ist dies eine unerwünschte Situation.

In der Regel ist eine Materialübertragungsbedingung für Spitze-und-Krater mit einer Gleichstromanwendung verbunden. Aber wir stellen allmählich fest, dass selbst bei einigen Wechselstromanwendungen ein Spitze-und-Krater-Materialtransfer zu beobachten ist, da die Relais in diesen Anwendungen synchron mit der Netzwechselspannung betrieben werden. Diese Synchronisation ist in der Regel das Ergebnis der Synchronisation mit der AC-Leitung der Festkörperlogik oder Mikrocomputerschaltung, die das Relais betreibt. Wenn die Synchronisierung zufällig bei oder nahe der Netzspannungsspitze erfolgt, dann arbeiten die Relaiskontakte jedes Mal entweder bei oder nahe 170 Volt oder 340 Volt, je nachdem, ob die Netzspannung 120 oder 240 Volt beträgt.

Wenn die Anwendung erfordert, dass der Schaltungstakt mit der Wechselstromleitung synchronisiert werden muss, sollte eine zusätzliche Schaltung vorgesehen werden, um einen zufälligen Betrieb des Relais zu bewirken. Oder die Synchronisation kann so eingestellt werden, dass die Relaiskontakte bei oder nahe dem Stromnullpunkt öffnen.

Nur noch ein Kommentar zum Spitze-und-Krater-Materialtransfer. Gehen Sie nicht automatisch davon aus, dass diese Art der Übertragung das Ergebnis einer Kontaktlichtbogenbildung ist. Das ist vielleicht nicht der Fall. Auch in Schaltkreisen, in denen kein Lichtbogen entsteht, kann es zu Materialtransfers kommen. Dies liegt daran, dass die Schaltungsspannung größer ist als die Schmelzspannung des Kontaktmaterials und wenn die Kontakte einfach zusammenkommen oder einfach nur trennen, schmilzt das Material, wandert vom heißeren Kontakt, der Anode, zum Kühlerkontakt, der Kathode, und bleibt dort. In einer AC-Anwendung, bei der der Betrieb wirklich zufällig ist, wird das Material zuerst in die eine und anschließend in die andere Richtung übertragen. Das Nettoergebnis ist kein nennenswerter Materialgewinn durch einen der beiden Kontakte. Aber in einer DC-Anwendung oder in einer Anwendung, bei der das Relais mit der Wechselstromleitung synchronisiert wird, erfolgt der Materialtransfer immer in die gleiche Richtung und es kann zu einem Spitze-und-Krater-Zustand kommen.

Wenn ein Lichtbogen entsteht, erfolgt die Materialübertragung vom Kathodenkontakt zum Anodenkontakt. Daher überträgt sich bei jedem beliebigen Vorgang des Kontakts, bevor ein Lichtbogen entsteht, Material von der Anode zur Kathode, und dann, wenn der Lichtbogen entsteht, Material von der Kathode zur Anode. Die Übertragungsmenge ist in der Regel während des Bogens am größten. Bedenken Sie jedoch, wie gerade erklärt wurde – und das ist wichtig –, dass bei einer wirklich zufälligen Wechselstromanwendung der Nettomaterialgewinn einer der beiden Kontakte vernachlässigbar ist, während bei einer Gleichstromanwendung oder bei einer mit der Wechselstromleitung synchronisierten Anwendung ein Kontakt einen erheblichen Materialgewinn aufweisen kann.

Werfen wir nun einen Blick darauf, was beim Verschluss eines Kontakts passiert. Wenn Sie die Oberfläche eines Relaiskontakts unter einem Hochleistungsmikroskop untersuchen könnten, würden Sie sehen, dass die Oberfläche ziemlich unregelmäßig ist, bestehend aus tiefen, niedrigen Stellen und vielen hohen Stellen – wobei diese sich in ihrer Höhe unterscheiden. 

Da die Kontakte gerade erst zusammenkommen, wird die erste Hochspannungsstelle, die den Kontakt herstellt, einem Volllaststrom ausgesetzt. Selbst wenn der Laststrom nur ein Bruchteil eines Ampere ist, führt die an dieser Hochspannungsstelle erzeugte I²R-Wärme sofort zum Schmelzen und vielleicht sogar zum Kochen. Die Luft, die die Hochspannungsstelle umgibt, wird überhitzt und beginnt durch den Verlust von Elektronen zu ionisieren. Wenn die I²R-Energie ausreichend ist, kann die Hochspannungsstelle eine Temperatur von 5.000 Kelvin oder mehr erreichen und explodieren, wodurch überhitzte, ionisierte Luft und metallische Ionen im Spalt zwischen den Kontakten zurückbleiben. Abhängig vom Kontaktmaterial und der Spannungsbeanspruchung dieses Luftspalts, d. h. der Kontaktspannung zum Zeitpunkt der Explosion, kann der ionisierte Luftspalt beginnen, Elektronenstrom von der Kathode zur Anode zu leiten. Diese elektrische Entladung zwischen den Kontakten ist im Grunde der Beginn eines Lichtbogens. Wenn der Laststrom die Lichtbogenstrombewertung des Kontaktmaterials übersteigt, enthält der Lichtbogen genügend Energie, um sich selbst zu erhalten. Ist dies nicht der Fall, führt die Entladung zwischen den Kontakten nicht zum Entstehen eines Lichtbogens.

Wenn sich ein Lichtbogen entzündet, gibt es aufgrund des Thompson-Effekts einen Temperaturgradienten entlang der Lichtbogensäule, wobei die Kathode der heißere Kontakt ist. Das heißt, Wärme wird von Kathode zu Anode fließen. Der Kathodenpunkt, an dem die I²R-Wärme am größten ist, kann kochen und damit atomare und sogar molekulare Emissionen abstoßen. Diese Emissionen werden durch die Lichtbogensäule gezogen und auf den etwas kühleren Anodenkontakt abgelagert. Dies ist selbstverständlich das Prinzip des Lichtbogenschwingens. All dies geschieht in vielleicht zehn Nanosekunden oder mehr, wenn sich die Kontakte weiter zusammen bewegen.

Der Bogen existiert, bis die nächste Hochspannungsstelle oder Hochspannungsstellen auftreten. Auch hier kann die Hitze in diesen Hochspannungsstellen dazu führen, dass sie schmelzen. Wenn sie dies tun, beginnen sie sich auszubreiten, was den Kontaktbereich vergrößert. Wenn sich die Kontakte energisch zusammenbewegen, kann dieses verflüssigte Metall spritzen, was zu einem Materialverlust führt. Wenn das geschmolzene Metall zwischen den Kontakten abkühlt, werden die Kontakte normal zusammengefroren. Im Gegensatz zu der katastrophalen Schweißnaht, die bei falscher Anwendung eines Relais entstehen kann, ist diese Schweißnaht schwach und leicht durch die Wirkung der Relais-Federkräfte zu brechen, wenn das Relais nicht unter Strom steht ist. Nun, denken Sie zurück! Was musste eigentlich passieren, bevor der Lichtbogen entstehen konnte? War Laststrom oder Spannung für den Lichtbogen verantwortlich? Sicherlich muss der Bogen ein Medium haben, durch das er reisen kann, und die ionisierte Lücke zwischen den Kontakten ist dieses Medium. Und sicherlich war es die Laststromerhitzung einer Kontakthochspannungsstelle, die die Ionen verursachte. Aber es war die Spannung, die über den Kontaktabstand bestand, die zu einer Lichtbogenzündung führte. Diese Spannung muss keine Lastspannung sein. Es kann Schaltungsspannung sein. Das heißt, dass bei Kontaktgabe eine gewisse Kapazität im Schaltkreis vorhanden sein kann, die sich über die Kontakte auflädt. 

Wenn über die Kontakte hinweg ein Lichtbogenunterdrückungskondensator verwendet wird, entlädt sich diese Kapazität über die Relaiskontakte.

Der Entladungsspannungsstrom kann für ein paar Nanosekunden oder mehr Hunderte von Ampere betragen. Um solche Entladungsströme zu begrenzen, sollte ein Lichtbogenunterdrückungskondensator eine gewisse Widerstandsfähigkeit in Reihe haben. In Schaltungen, für die es keine dedizierte Kapazität gibt, kann jedoch immer noch genügend Streukapazität vorhanden sein, um bei Kontaktgabe einen kurzzeitigen Überstrom zu verursachen. Diese Tatsache wird oft von vielen Schaltungsdesignern übersehen.

Ein Lichtbogen entzündet sich bei Kontaktbruch in ähnlicher Weise. Wenn sich die Kontakte zu trennen beginnen, führt immer weniger Kontaktfläche Laststrom. Der Laststrom beginnt in diesen verengten Bereich zu trichtern und I²R-Wärme beginnt zu zunehmen. Der allerletzte Kontaktpunkt schmilzt und wenn sich die Kontakte weiter trennen, entsteht eine dünne Brücke aus geschmolzenem Metall zwischen den Kontakten. Die Luft in der Lücke beginnt zu ionisieren. Die I²R-Energie in der Brücke erzeugt so viel Energie, dass die Brücke buchstäblich explodiert und die Lücke mit metallischen Ionen überschüttet. Wenn die Kontaktspannung ausreicht, entzündet sich erneut ein Lichtbogen.

Verschiedene Kontaktmaterialien haben unterschiedliche Lichtbogenspannungswerte. Bei Feinsilber beträgt die Lichtbogenspannung 12 Volt. Für Kadmium sind es 10 Volt; und für Gold und Palladium 15 Volt. Nehmen wir an, die Kontakte sind aus Feinsilber. Innerhalb von Nanosekunden, nachdem die geschmolzene Brücke explodiert ist, tritt ein Spannungsdurchbruch auf, wenn das Material Silber ist und wenn die Spannung des Schaltkreises 12 Volt oder mehr beträgt. Wenn die Schaltungsspannung kleiner als 12 Volt ist, kann kein Unterbrechungsfehler auftreten und es wird kein Lichtbogen vorhanden sein.

Wenn sich ein Lichtbogen zwischen sich trennenden Kontakten entzündet, wird er aufrechterhalten, solange genügend Energie vorhanden ist, um ihn zu speisen. Solange der Bogen vorhanden ist, wird die Materialübertragung fortgesetzt. Bei einer Gleichstromanwendung kann der Lichtbogen nur gelöscht werden, indem er so weit gedehnt wird, dass seine eigene Impedanz ihn zum Erlöschen bringt, oder indem der Stromkreis an einem anderen Punkt geöffnet wird. In vielen Anwendungen ist der Kontaktabstand jedoch so groß, dass der Lichtbogen erlischt, bevor sich die Kontakte vollständig geöffnet haben. Aus diesem Grund werden Relais mit einer bestimmten Kontaktleistung z. B. für 120 Volt Wechselstrom ausgelegt sein, aber eine wesentlich geringere Gleichspannung haben – üblicherweise 28 oder 30 Volt Gleichstrom. Das heißt, die Lücke ist so groß, dass angesichts des periodischen Nulldurchgangs des Wechselstroms jeder Wechselstrombogen schnell erlöschen sollte. Aber der Abstand wäre nicht groß genug, um einen 110-Volt-Gleichstrombogen zum Erlöschen zu bringen.

Bei einer AC-Anwendung kann der Lichtbogen, abhängig von der Temperatur der ionisierten Luft, nach Stromnull wieder entzündet werden, obwohl der Lichtbogenstrom bei jeder Halbwelle auf Null sinkt. Das liegt daran, dass zwischen den Kontakten immer noch positive Ionen existieren und es nicht viel Energie benötigt, um den Lichtbogen wiederzubeleben.

Seit langem ist bekannt, dass Silber-Cadmiumoxid-Kontakte im Vergleich zu Feinsilber eine höhere Lebensdauer in Gegenwart eines Lichtbogens aufweisen. Eine Theorie besagt, dass, da oxidbeschichtete Materialien bei ausreichender Erwärmung negative Ionen erzeugen, die von Silber-Cadmiumoxid erzeugten negativen Ionen eine frühe Rekombination der positiven Ionen nach dem aktuellen Nullpunkt bewirken. Diese Rekombination bewirkt ein früheres Erlöschen des Lichtbogens und kann eine Wiederzündung nach dem aktuellen Nullpunkt verhindern. Dies scheint darauf hinzudeuten, dass bei einer AC-Anwendung, bei der Lichtbogenbildung zu erwarten ist, Silber-Cadmiumoxid-Kontakte, die mit einer geeigneten Lichtbogenunterdrückungsmethode geschützt sind, für eine gute Kontaktlebensdauer sorgen sollten. Wir werden hier nicht auf Lichtbogenunterdrückungstechniken eingehen, da dies das Thema einer anderen Anwendungsnotiz mit dem Titel „Schutz von Relaiskontakten“ ist. Alles, was wir hier über Lichtbogenunterdrückung sagen werden, ist, dass eine angemessene Unterdrückung zu einer verlängerten Kontaktlebensdauer führen kann. Darüber hinaus wird die elektromagnetische Interferenz – kurz EMI – durch Unterdrückung des Lichtbogens auf ein Minimum beschränkt. EMI ist das Ergebnis einer atomaren Aktion in der Lichtbogensäule. In einem Lichtbogenplasma wird die Oberfläche der Kontakte mit Atomen, positiven und negativen Ionen und Elektronen bombardiert, von denen einige durch den Durchgang durch das elektrische Feld beschleunigt werden können und einige eine Sekundäremission von Elektronen verursachen können, die Energie über ein breites Frequenzspektrum abstrahlen können. Durch schnelles Löschen des Bogens wird diese Aktion auf ein Minimum reduziert. Das Ergebnis ist oft eine deutlich geringere Menge an elektromagnetischen und hochfrequenten Interferenzen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zur Erzielung der maximalen Lebensdauer von Lichtbogenrelaiskontakten die richtige Anwendung von Relais und Kontakten und die mögliche Verwendung von Lichtbogenunterdrückung am wichtigsten sind.

Vorsicht bei Wechselstromanwendungen, bei denen das Relais mit der Netzwechselspannung synchronisiert ist. Wenn eine Synchronisierung unvermeidlich ist, stellen Sie den Takt so ein, dass der Betrieb des Relaiskontakts bei oder nahe Nullstrom erfolgt.

Und wenn schwere Lichtbogenbedingungen zu erwarten sind, wählen Sie ein Relais mit Silber-Cadmium-Kontaktmaterial aus.