Whitepaper: Lebensdauer des Relaiskontakts: Materialien, Bewertungen und Stile

Relaiskontakte sind in einer Vielzahl von Metallen und Legierungen, Größen und Ausführungen verfügbar. So etwas wie einen Universalkontakt gibt es nicht. Benutzer von Relais sollten Kontaktmaterialien, Nennwerte und Ausführungen möglichst präzise anhand der Anforderungen der jeweiligen Anwendung bestimmen. Andernfalls können Probleme oder Fehlfunktionen beim Kontakt auftreten.

Beispielsweise benötigen einige Kontaktmaterialien einen Lichtbogen, um sie frei von Sulfidierung, Oxidation und Verunreinigungen zu halten. Solche Materialien an Kontakten, die in einem Trocken- oder Niederspannungsstromkreis verwendet werden, können dazu führen, dass die Kontakte den Stromkreis nicht elektrisch schließen können, obwohl sie dies physikalisch tun. Die Kontakte mögen sauber aussehen, aber das ist trügerisch. In Wirklichkeit befindet sich auf der Oberfläche der Kontakte ein sehr dünner Film aus isolierender Sulfidierung, Oxidation oder Verunreinigungen. Dieser Film muss entfernt werden, damit der Durchgang des Stromkreises hergestellt werden kann, und die Lichtbogenbildung kann dies erreichen. (Für Trocken- oder Niederspannungsstromkreise sollten Doppelkontakte verwendet werden.)

In einigen Anwendungen können die Kontakte strafenden Stromstößen ausgesetzt sein, die ihre Lebensdauer drastisch reduzieren können. Betrachten Sie eine Glühlampe. Eine 40-Watt-, 120-V-AC-Lampe hat einen Nennstrom von 0,33 Ampere. Der Widerstand des Glühfadens in kaltem Zustand ist jedoch so gering, dass der anfängliche Einschaltstrom bis zu 6 Ampere betragen kann! Der Versuch, die 40-Watt-Lampe zu schalten, etwa mit 2-Ampere-Kontakten, führt zu einem frühen Kontaktausfall.

Die gleiche Situation besteht bei Motor- und Transformatoranwendungen sowie bei Anwendungen, bei denen eine erhebliche verteilte Leitungskapazität vorhanden ist. Während der Inbetriebnahme kann ein Motor 600 % oder mehr des laufenden Stroms ziehen. So kann ein 3-Ampere-Motor tatsächlich 18 Ampere oder mehr während des Startvorgangs ziehen. Es sollte ein Kontakt mit mindestens 20 Ampere verwendet werden. Darüber hinaus fungiert ein Motor beim Trennen als Spannungsgenerator, wenn er zum Stillstand kommt. Je nach Motor kann er weit über die Nennspannung hinaus in die Stromkreisspannungen eingespeist werden. Diese an den Trennkontakten auftretenden Spannungen können einen zerstörerischen Lichtbogen zwischen den Kontakten verursachen, der zu einem vorzeitigen Ausfall der Kontakte führen kann. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den Bogen zu unterdrücken. (Techniken zur Lichtbogenunterdrückung werden weiter unten in dieser Anwendungsnotiz erläutert.)

Transformatoren können eine ungewöhnliche Falle für einen ahnungslosen Relaisbenutzer darstellen. Wenn die Stromversorgung eines Transformators entfernt wird, kann sein Kern einen remanenten Magnetismus enthalten. Der Kern kann während des ersten Halbzyklus der wieder angelegten Leistung in Sättigung gehen, sofern die Leistung erneut angelegt wird, wenn die Spannung die gleiche Polarität wie die des remanenten Magnetismus hat. Infolgedessen wird die Induktivität minimal sein und ein Einschaltstrom von vielleicht 1.000 % kann für ein paar Zyklen existieren, bis der Kern aus der Sättigung kommt. Schlimmer noch, wenn die wieder angelegte Leistung bei oder nahe der Nullspannung auftritt und die ansteigende Spannung den remanenten Magnetismus fördert, können der Kern und der Luftspalt gesättigt werden. Ein Einschaltstrom von vielleicht 4.000 % oder mehr kann die Folge sein! Wie bei Motorlasten entwickelt der Transformator bei der Abscheidung der Stromversorgung aus einem Transformator eine Gegenspannung, die zwischen Trennkontakten einen zerstörerischen Lichtbogen verursachen kann.

Die verteilte Leitungskapazität stellt Relais und deren Kontakte vor besondere Probleme. Dies tritt auf, wenn sich ein Relais in einem beträchtlichen Abstand von der zu schaltenden Last befindet. In dem Moment, in dem die Kontakte geschlossen werden, wird die Verteilung der Leitungskapazität geladen, bevor der Ladestrom fließt. Diese Kapazität kann als anfänglicher Kurzschluss zu den Kontakten erscheinen und einen Strom ziehen, der deutlich über dem Laststrom liegt. Wenn die verteilte Leitungskapazität erheblich sein kann, sollte der momentane Einschaltstromstoß gemessen und die Kontakte entsprechend ausgewählt werden, bevor ein Relais zum Schalten eines Stromkreises ausgewählt wird.

Feinsilber hat von allen Metallen die höchsten elektrischen und thermischen Eigenschaften. Es ist das beste verfügbare Allzweckmaterial. Es ist jedoch von Sulfidierung betroffen. Die Sulfidierungsrate in Innenräumen in einer Metropolregion beträgt etwa 70 Mikrogramm pro Quadratzentimeter und Tag. Diese Sulfidierung bildet einen Film auf der Oberfläche des Silbers, der den Kontaktschnittstellenwiderstand erhöht.

Da Silber und Silberlegierungen sulfidieren, muss der Druck auf den Kontakten groß genug sein, um diesen Film zu durchbrechen. (Ein kontrollierter Lichtbogen wird auch insofern hilfreich sein, als er die Sulfidierung abbrennt und die Kontaktüberschreitung den Rückstand wegwischt). Solche Drücke haben zwar keinen nennenswerten Einfluss auf Silber-Cadmium-Kontakte, führen aber zu einem erhöhten Materialverschleiß bei Feinsilberkontakten. Auch kann bei feinen Silberkontakten aufgrund des Sulfidfilms eine Grenzflächenspannung von mehreren Zehntel Volt entstehen. Dieser Film ist dafür bekannt, Luftschmutz einzufangen und einzubetten. Durch diesen Film zu durchbrechen erzeugt elektrisches Rauschen. Aus diesem Grund werden Feinsilberkontakte nicht für das Schalten von Niederspannungsstromkreisen, etwa Audioschaltungen, verwendet. Vielmehr sind Feinsilber- und Silberlegierungskontakte für die Verwendung in Schaltkreisen von 12 Volt, 0,4 Ampere oder mehr vorgesehen.

Bei Relais, die vor der Inbetriebnahme längere Zeit stillstehen müssen, kann die Sulfidierung von Silberkontakten zu einem undurchdringlichen Kontaktschnittstellenwiderstand führen. Anstatt Silberkontakte für solche Anwendungen zu spezifizieren, sollten blattvergoldete Silberkontakte spezifiziert werden. Das Blattgold auf jedem Kontakt führt zu einer minimalen Sulfidierung und sorgt für eine gute elektrische Verbindung bei Kontakt. Da Gold eine niedrige Siedetemperatur hat, brennt das Blattgold schon nach wenigen Schaltzyklen ab, wenn Lichtbogenspannung und Strom überschritten werden. Die silberne Unterlage wird dann freigelegt und kann einen Sulfidfilm entwickeln. Wenn diese Situation nicht toleriert werden kann, sollten blattvergoldete Kontakte keiner Lichtbogenbildung ausgesetzt werden.

Ein gemeinsamer Kontakt für den Einsatz in Trocken- und Niederspannungsstromkreisen ist ein Goldüberzug. Der Überzug ist so dick, dass er sich nicht bis zum Grundmetall abtragen sollte, es sei denn, er ist Lichtbogenbedingungen ausgesetzt.

Je nach Anwendung kann der Materialtransfer bei Feinsilberkontakten recht weit verbreitet sein. Typischerweise neigt das Material dazu, sich in der Mitte des einen Kontakts anzusammeln, während der Materialverlust auf dem anderen Kontakt ein Loch oder ein „Pit“ hinterlässt. Diese Vertiefungen können zu vorzeitigem Kontaktversagen führen. In einer solchen Anwendung kann es wünschenswert sein, feinkörnige Silberkontakte zu verwenden. Diese Kontakte sind mit 0,15 % Nickel legiert, was den Kontakten eine feine Kornstruktur verleiht. Dadurch wird der Materialtransfer gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Kontakts verteilt und die Kontakte halten länger.

Silber-Cadmium-Oxid-Kontakte werden seit langem zum Schalten von Lasten verwendet, die einen hohen Lichtbogen mit hoher Energie erzeugen. Silber-Cadmium-Oxid-Kontakte sind weniger elektrisch leitfähig als Feinsilberkontakte, haben aber eine überlegene Beständigkeit gegen Materialtransfer und Materialverlust durch Lichtbogen. Sie weisen einen größeren Grenzflächenwiderstand zwischen den gesteckten Kontakten und auch einen etwas größeren Wärmeanstieg der Kontaktbaugruppe auf. Die Mindestbogenspannung von Silber-Kadmium-Oxid beträgt 10 Volt, und wie bei feinen Silberkontakten oxidiert und sulfidiert das Silber in dieser Legierung. Daher ist ein Bogen erforderlich, um diese Kontakte sauber zu halten.

Silber-Zinn-Indiumoxid-Kontakte sind zwar nicht ohne weiteres erhältlich, weisen jedoch eine bessere Beständigkeit gegen Lichtbogenerosion und Schweißen auf als Silber-Kadmium-Oxid-Kontakte. Sie sind jedoch noch weniger elektrisch leitfähig und härter als Silber-Kadmium-Oxid-Kontakte. Sie haben einen größeren Grenzflächenwiderstand zwischen den Gegenkontakten und damit einen größeren Spannungsabfall und Wärmeanstieg. Gegenwärtig ist Silber-Zinn-Indium-Oxid teurer als Silber-Kadmium-Oxid, und viele Relaisanwender beschränken seine Verwendung auf Anwendungen wie Glühlampenlasten und Kondensatoren, bei denen es während des Kontaktprellens zu einem massiven Einschaltstromstoß kommt. Für ohmsche und induktive Lasten von kleiner und mittlerer Leistung wird nach wie vor am häufigsten Silber-Kadmium-Oxid verwendet. Außerdem wird es von Siemens Electromechanical Components (SEC) empfohlen. Für Anwendungen, bei denen der Einsatz von Silber-Zinn-Indium-Oxid für sinnvoll erachtet wird, wenden Sie sich bitte an den Bereich Anwendungstechnik von SEC.

Silber-Kupfer-Nickel-Kontakte sind für den Einsatz in DC-Anwendungen mit hohem Einschaltstromstoß wie Glühlampen und kapazitiven Lasten vorgesehen. Diese Kontakte weisen eine gute Beständigkeit gegen Schweißen auf.

Kontakte aus einer Gold-Silber-Nickel-Legierung sind zur Verwendung beim Schalten von Lasten von im Allgemeinen weniger als einem Ampere vorgesehen und zeichnen sich durch ein geringeres elektrisches Rauschen beim Ein- und Ausschalten als Feinsilberkontakte aus. Golddiffundierte Silberkontakte bieten ähnliche Eigenschaften wie die Gold-Silber-Nickel-Legierung, sind aber preiswerter.

Palladiumkontakte sulfidieren oder oxidieren nicht und bieten daher einen extrem niedrigen elektrischen Rauschpegel. Ihre elektrische Lebenserwartung ist etwa 10 Mal so lang wie die von Feinsilberkontakten. Wegen der relativ schlechten Leitfähigkeitseigenschaften sind die Lastströme jedoch auf etwa 5 Ampere begrenzt.

Palladiumkontakte erfordern eine Überschreitung von 0,015 cm bis 0,030 cm, um eine gute Reibung zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden sie vor allem bei Telefonrelais verwendet, d. h. bei Relais, bei denen die Kontaktarme parallel zur Länge der Spule verlaufen und bei denen eine solche Überschreitung leicht zu erreichen ist. Außerdem sollten Palladiumkontakte gespalten werden, um die Kontinuität des Stromkreises bei Kontaktschluss zu gewährleisten.

Wolframkontakte sind für den Einsatz in Hochspannungsanwendungen vorgesehen, in der Regel dort, wo stark wiederholte Schaltvorgänge erforderlich sind. Wolfram hat eine Schmelztemperatur von 3.380 ^oC, was ihm eine ausgezeichnete Lichtbogenerosionsbeständigkeit verleiht.

Wolfram kann störende Oxidfilme bilden, insbesondere wenn es bei einigen Gleichstromanwendungen als Anodenkontakt verwendet wird. Daher wird Wolfram häufig als Kathodenkontakt und eine Palladiumlegierung als Anodenkontakt verwendet. Eine solche Kombination minimiert auch den Widerstandsfähigkeit der Kontaktschnittstelle und den Materialtransfer.

Quecksilber hat eine Schmelztemperatur von -38,87 ^oC. Somit befindet es sich, wie es in Relais verwendet wird, in einem flüssigen Zustand. Quecksilber heftet sich an die Oberfläche eines sauberen Metalls und wird als Kontakt in quecksilberbenetzten Reed-Relais verwendet. Es hat eine gute elektrische Leitfähigkeit, und da es flüssig ist, gibt es keine Anhäufung von Materialübertragungen von Kontakt zu Kontakt. Ein solcher Materialtransfer wird dadurch verhindert, dass beim Öffnen der Kontakte und der Rückkehr des Quecksilbers in das Becken im Boden des Relais beim nächsten Schaltvorgang frisches Quecksilber seinen Platz einnimmt. Quecksilber hat eine Siedetemperatur von 357 ^oC. Aus diesem Grund können Quecksilberkontakte keine Ströme von mehr als einigen Ampere schalten.

Die elektrische Lebenserwartung von Allzweck- und Leistungsrelais wird im Allgemeinen mit mindestens 100.000 Schaltspielen angegeben, während die mechanische Lebenserwartung eine Million, 10 oder sogar 100 Millionen Schaltspiele betragen kann.

Der Grund, warum die elektrische Lebensdauer im Vergleich zur mechanischen Lebensdauer so niedrig bewertet wird, liegt darin, dass die Kontaktlebensdauer anwendungsabhängig ist. Die elektrische Nennleistung gilt für Kontakte, die ihre Nennlasten umschalten. Wenn eine Gruppe von Kontakten eine Last von weniger als dem Nennwert wechselt, kann die Kontaktlebensdauer erheblich größer sein. Zum Beispiel kann erwartet werden, dass 25-Ampere, 240-V-AC-, 80-%-P.F.-Kontakte eine solche 25 Ampere Last mit mehr als 100.000 Schaltungen schalten können. Wenn diese Kontakte zum Schalten z.B. einer ohmschen Last von 5 Ampere, 120 V AC verwendet werden, kann die Lebensdauer jedoch mehr als eine Million Schaltspiele betragen. Die nominelle elektrische Lebensdauer berücksichtigt auch die Lichtbogenzerstörung der Kontakte. Durch geeignete Lichtbogenunterdrückung kann die Kontaktlebensdauer verlängert werden. Tabelle 1 listet einige Lichtbogenspannung und Stromwerte für mehrere verschiedene Metalle auf. Ein Lichtbogen entzündet sich, wenn sowohl die minimale Lichtbogenspannung als auch die Stromwerteüberschritten werden. Es gibt jedoch keinen Lichtbogen, wenn der Laststrom bei einer bestimmten minimalen Lichtbogenspannung kleiner als der minimale Lichtbogenstrom für diese Spannung ist. Ebenso entsteht kein Lichtbogen, wenn die Lastspannung (oder Gegen-EMK) kleiner als die minimale Lichtbogenspannung des Kontaktmetalls ist. Wie bereits erwähnt, kann ein Lichtbogen erforderlich sein, um die Kontakte bei Sulfidierung, Oxidation oder Verunreinigungen abzubrennen. Doch von Natur aus ist ein Bogen destruktiv. Für eine maximale Kontaktlebensdauer sollte der Lichtbogen so schnell wie möglich unterdrückt werden, sobald er sich entzündet. Eine solche Lichtbogenunterdrückung kann mit den in dieser Anwendungsnotiz vorgestellten Techniken erreicht werden.

Bei Spannungs- und Stromwerten, die niedriger sind als die zur Zündung eines Lichtbogens erforderlichen, kann ein Funke zwischen den Trennkontakten entstehen. Dieser Funke ist eine kapazitive Entladung und ist schwach im Vergleich zu einem Bogen. Trotzdem kann der Funke ausreichen, um zu verhindern, dass sich Sulfidierung, Oxidation und Verunreinigungen auf den Kontakten ablagern. (Hinweis: Die Lichtbogenunterdrückung hat, wenn überhaupt, nur geringe Auswirkungen auf die Kontaktfunkenbildung).

Die Kontaktlebensdauer wird beendet, wenn die Kontakte kleben oder verschweißen, oder wenn bei einem oder beiden Kontakten überschüssiges Material verloren geht und eine gute elektrische Bindung nicht möglich ist. Diese Bedingungen sind das Ergebnis eines kumulativen Materialtransfers während aufeinanderfolgender Schaltvorgänge und von Materialverlust durch Spritzer.

Die Materialübertragung erfolgt infolge der I2-R-Wärme. Wenn sich die Schalterkontakte zu trennen beginnen, nimmt der Kontaktbereich ab. Laststrom, der durch diesen zunehmend verengten Bereich fließt, erzeugt Wärme, die das Kontaktmaterial erst schmelzen und dann kochen lässt. Das verflüssigte Metall neigt dazu, sich am Kathodenkontakt zu sammeln, da dieser Kontakt kühler als der Anodenkontakt ist. Die Materialübertragung erfolgt auch während des Bogens. Unter dieser Bedingung erfolgt die Materialübertragung jedoch von Kathode zu Anode – der Übertragungsgrad hängt von der Schwere und Dauer des Lichtbogens und der Art des verwendeten Kontaktmaterials ab. Da das Kontaktmaterial erst in die eine und dann in die andere Richtung wandert, wäre die ideale Lichtbogenunterdrückungstechnik, den Lichtbogen so zu löschen, wie die Anode das gesamte Material zurückgewinnt, das kurz vor dem Zünden des Lichtbogens an die Kathode verloren ging. Hier ist jedoch bereits der Versuch unpraktisch.

Der Materialverlust ist in erster Linie auf das Verspritzen des geschmolzenen und siedenden Metalls zurückzuführen, wenn Kontakte beim Schließen abprallen. Ein solcher Verlust kann im Laufe von Zehntausenden von Operationen erheblich sein, und der einzige praktische Weg, ihn zu minimieren, ist die Lichtbogenunterdrückung. Die Lichtbogenunterdrückung löscht den Lichtbogen schnell und hält so die Kontakttemperaturen niedriger.

In DC-Anwendungen ist die Metallmigration insofern vorhersehbar, als ein Kontakt immer negativ und der andere positiv ist. In AC-Anwendungen, bei denen das Umschalten zufällig erfolgt, kann der Kontakt entweder negativ oder positiv sein, wenn der Lichtbogen auftritt. Die Migration erfolgt nicht jedes Mal, wenn der Schalter geöffnet wird, und der Materialverlust von beiden Kontakten sollte nicht signifikant sein – es sei denn, die Lastbedingungen verursachen Spritzen.

Nicht alle AC-Anwendungen verfügen jedoch über zufälliges Schalten. In einigen Anwendungen wird das Relais mit einer eingestellten Rate oder Frequenz betrieben. In solchen Fällen brechen die Kontakte den Laststrom an demselben ungefähren Punkt auf der Sinuswelle. Das heißt, dass der gleiche Kontakt im Moment der Kontakttrennung immer positiv und der andere negativ ist. Die Materialübertragung während der Lichtbogenbildung erfolgt immer in die gleiche Richtung. In solchen Anwendungen kann eine Kontaktlichtbogenunterdrückung erforderlich sein.

Dies soll nicht heißen, dass bei zufällig wechselnden AC-Anwendungen keine Lichtbogenunterdrückung erforderlich ist. Im Gegenteil, die Lichtbogenunterdrückung kann helfen, den Verlust von Kontaktmaterial durch Spritzen des geschmolzenen Metalls zu kontrollieren. Das heißt, wenn der Lichtbogen unterdrückt wird, wird die Kontakttemperatur auf ein Minimum gehalten.

Kontrollierte Bogenbildung von kurzer Dauer kann bei der Erreichung der Nennlebensdauer der Kontakte von Vorteil sein. Wie bereits erwähnt, liegt dies daran, dass ein solcher Lichtbogen alle Ablagerungen von den Kontakten abbrennt, die ein elektrisches Schließen verhindern könnten. Eine solche Kontrolle wird durch Lichtbogenunterdrückung erreicht. Sofern Lichtbogen und/oder Kontaktüberschreitung die Kontakte reinigt, können sich Ablagerungen auf den Kontaktflächen entwickeln oder Fremdkörper sammeln. Aus diesem Grund ist es am besten, Allzweck- und Leistungsrelais nur in Anwendungen einzusetzen, bei denen die Lastspannung (oder Gegen-EMK) und der Strom über der Lichtbogenspannung und dem Nennstrom dieser Kontakte liegen.

Die vielleicht beliebteste Methode zum Abschrecken eines Bogens zwischen trennenden Kontakten ist ein R-C-Netzwerk, das direkt über den Kontakten platziert wird. Wenn sich die Kontakte gerade erst zu trennen beginnen und sich ein Lichtbogen entzündet, wird der Laststrom, der den Lichtbogen speist, über den Reihenwiderstand in den Kondensator geleitet, wodurch dem Lichtbogen ein Teil seiner Energie entzogen wird. Dadurch wird die Lichtbogendauer verkürzt und der Materialverlust minimiert.

Theoretisch wäre die ideale Lichtbogenunterdrückungsmethode einfach ein Kondensator, der direkt über die Kontakte gelegt wird. Da jedoch kein Widerstand in der Schaltung vorhanden ist, wenn die Kontakte schließen, gibt es nichts, um den Kapazitätsentladungsstrom zu begrenzen. Dieser nahezu augenblickliche Entladungsstrom kann einen kurzen, aber heftigen Lichtbogen erzeugen, der je nach Kontaktmaterial und Eigenschaften zu verschweißten Kontakten führen kann. Daher ist der Widerstand notwendig, um den Kondensatorentladungsstrom zu begrenzen. Es gibt jedoch einen Nachteil. Nämlich die Tatsache, dass der Widerstand dazu neigt, den Kondensator von genau den Kontakten zu isolieren, die der Kondensator schützen soll. Aus diesem Grund sollte die Widerstandsmenge so gering wie möglich gehalten werden.

Viele Relaisbenutzer sind mit der Auswahl eines Kondensators zum Löschen des Bogens nicht vertraut. Zunächst einmal unterscheidet sich AC von DC dadurch, dass AC 120 Mal pro Sekunde im 60-Hertz-Betrieb die Nulllinie durchläuft, während DC natürlich ein Dauerstrom ist. Im Wechselstrombetrieb muss der Kondensator nicht so groß wie im Gleichstrombetrieb sein, da der Wechselstrombogen bei einem Nulldurchgangspunkt erlischt. Im Gleichstrombetrieb muss der Kondensator weiterhin die Laststromschwankungen von den Kontakten ableiten, bis die Kontakte weit genug voneinander entfernt sind, um den Lichtbogen zu löschen.

Nehmen wir eine Gleichstromanwendung von 28 Volt, 5 Ampere an. Nehmen wir weiter an, dass ein R-C-Netz benötigt wird, das 1 µsec. nach dem Trennen der Kontakte zu einer Kontaktspannung von vielleicht 15 Volt führt. Da der Wert des Widerstands so klein wie möglich sein sollte, könnte ein 2-Ohm-Widerstand gewählt werden. Bei 2 Ohm beträgt der Spitzenwert des Kondensatorentladestroms 14 Ampere zum Zeitpunkt Null. Je nach Kontaktmaterial und Größe können diese 14 Ampere für einen so kurzen Zeitraum durchaus akzeptabel sein.

Die Kontaktspannung, also die Lichtbogenspannung, ist zu jedem Zeitpunkt einfach die Summe des Spannungsabfalls des Widerstandes und der Kondensatorspannung. Wählen Sie eine Kondensatorspannung von, sagen wir, 10 Volt. Die restlichen 18 Volt müssen über die 5,6-Ohm-Last und den 2-Ohm-Widerstand erscheinen. Somit ist der momentane Kondensatorstrom:

und der Spannungsabfall des 2-Ohm-Widerstands beträgt 4,8 Volt. Die Lichtbogenspannung beträgt daher eine Mikrosekunde nach Kontakttrennung 4,8 V + 10 V = 14,8 V, oder etwa 53 % der Versorgungsspannung.

Um die Größe der benötigten Kapazität zu bestimmen, kann die grundlegende Gleichung für die Kondensatorspannung verwendet werden:

ec = E(1 - ε -t/RC)

Die Neuanordnung der Gleichung für die Kapazität ergibt 1,1 μfd.

c = -t = 1,1 x 10-6 farad [In (1-ec)]R E wobei gilt: t = 1 µsec. ec = 10 Volt = Kondensatorspannung zum Zeitpunkt t. E = 28 Volt (verwenden Sie den Spitzenwert für AC). R = 2,0 Ohm.

Die nächste Frage betrifft die Kondensatorkonstruktion . Kann der Kondensator Entladungsstoßströmen standhalten? Wenn sich die Kontakte schließen, entlädt sich der Kondensator durch den Widerstand. Für einen 1-µfd.-Kondensator und einen 2-Ohm-Widerstand ist die Zeitkonstante R x C = 2 x 1 µfd. = 2,0 µsec.

Zur Bestimmung der Entladung di/dt: i=C dv = 1 x 10-6 28 x 0,63 = 8,8 Aavg/ µsec. dt 2,0 x 10-6; 

wobei 0,63 der Kondensatorspannungsverlust während einer Zeitkonstante von 2,0 µsec. ist.

Dieses di/dt ist nicht sehr schwerwiegend, und eine Vielzahl von Kondensatoren sollte ihm standhalten können. Der di/dt einer 5-Ampere, 240-Volt-AC-Anwendung würde jedoch 107 A/ µsec. an der Spitze der AC-Leitung betragen, d.h. 340 Volt; und die Kondensatorauswahl* sollte entsprechend erfolgen.

Natürlich kann di/dt durch einen größeren Widerstandswert gesenkt werden, um den Kondensatorentladungsstrom noch weiter zu begrenzen. Aber je größer der Wert des Widerstands, desto weniger Wirkung hat der Kondensator auf den Bogen.

Zur Löschung von Gleichstromlichtbögen in bestimmten Anwendungen sind Relais erhältlich, bei denen sich ein Permanentmagnet in unmittelbarer Nähe der Kontakte befindet. Der Magnet stößt den Gleichstromlichtbogen ab, wodurch der Lichtbogen gestreckt wird und schnell erlischt.

Einige Relaisanwender schließen eine Diode über die induktive Last an, um zu verhindern, dass eine Gegenspannung die Kontakte erreicht. Wenn sich die Relaiskontakte öffnen, zirkuliert die gespeicherte Energie der Induktivität durch die Diode, nicht durch den Lichtbogen. Dies ist zwar eine akzeptable Methode zum Schutz der Kontakte, führt jedoch zu einer längeren Haltezeit der induktiven Last. Für Anwendungen, die eine längere Haltezeit nicht tolerieren können, kann ein Widerstand mit der Diode in Reihe gestellt werden. Der Widerstand verringert jedoch die Wirksamkeit der Diode, und in der Regel muss ein Kompromiss durch Versuch und Irrtum erzielt werden.

Durch die Verwendung einer Zenerdiode anstelle des Widerstandes wird die Überbrückungszeit stark reduziert. Das liegt daran, dass sich die Dioden erst dann einschalten können, wenn die Spannung über ihnen gleich der Summe ihrer Spannungsabfälle ist.

In einigen Schaltkreisen ist der Platz auf einem hohen Niveau und es kann nicht genug Platz für eine Zener- und eine normale Diode. In solchen Schaltungen verwenden einige Entwickler einen Metalloxid-Varistor. Der MOV verhält sich ähnlich wie Back-to-Back-Zenerdioden. Und da der MOV ein bidirektionales Gerät ist, kann es sowohl in AC- als auch in DC-Schaltungen verwendet werden.

Ein zusätzlicher Vorteil der Lichtbogenunterdrückung ist die Minimierung der EMV. Ein nicht unterdrückter Lichtbogen zwischen Kontakten ist ein ausgezeichneter Rauschgenerator. Solches Rauschen kann für empfindliche Komponenten in einem Schaltkreis oder innerhalb des RFI-Feldes problematisch sein. Im schlimmsten Fall kann EMV ein unerwünschtes Einschalten von IC-Logikgattern, SCRs und Triacs verursachen und andere Halbleiterbauelemente beschädigen.

* Vorgeschlagene Kondensator-Arten sind metallisierte Folie und Filmfolie. Prüfen Sie die Kondensatorspezifikationen für dv/dt und di/dt.