Kontaktsicherheit von Relais 20 Ursachen, warum Relais ausfallen können, Teil 1

Trotz aufwändiger Qualitätssicherung fallen Relais nach Jahren aus. Ursache sind meist organische Kontaminationen an den Kontakten. In einer Studie wurden Relais der namhaften Hersteller untersucht.

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Relais gehören heute zu den wichtigsten Schaltelementen, die unverzichtbare Bausteine einer unzählbaren Menge an elektrischen Funktionen sind, die wir täglich hundert- oder tausendfach nutzen und die aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken sind: Nachrichtentechnik, Bedienelemente zum Ein- und Ausschalten von Elektromotoren (z.B. Fensterheberschalter in Kraftfahrzeugen, Bewegung von Krankenhausbetten), Steuerkarten in Aufzügen, Verwendung in diversen sicherheitsrelevanten Steuerungen etc.

Trotz der zum Vergleich mit anderen Produkten sehr hohen Qualität in der Fertigung von Relais kommt es immer wieder zu Funktionsausfällen, die häufig erst nach längerer Relaislebensdauer auftreten. Hierbei sind heute auch Ausfallraten im ppm-Bereich (10^–6) nicht mehr tolerabel.

Bei sehr hohen Fehlerraten werden die Probleme vielfach schon bei Prüfungen direkt nach der Fertigung oder nach kurzer Einsatzzeit festgestellt. In diesen Fällen kann der Produzent oder Lieferant relativ schnell reagieren, die Lieferung stoppen und die Fehler beheben. Komplizierter ist die Situation bei größeren Abständen zwischen Produktion und Auftreten der Relaisausfälle. Bei diesen Ausfallteilen ist die Feststellung der exakten Fehlerursache aufgrund des zeitlichen Abstandes zwar deutlich schwieriger, aber zur Einschätzung der noch zu erwartenden Rückläufer auch besonders wichtig.

Funktionsausfälle von Relais aufgrund von mechanischen und elektrischen Ursachen

Im Rahmen der Fehleranalytik zur Ursachenfindung hat es sich speziell bei höheren Fehlerraten (100 bis 1000 ppm) bewährt, zuerst nach einem elektrischen oder mechanischen Hintergrund für die Funktionsausfälle zu suchen. Beispielsweise könnte eine mechanische Verformung von Bauteilen durch thermische Einwirkungen zu Problemen in der Kontaktierung durch Verbiegen der Kontaktfeder führen oder eine unzulässige Betriebsweise der Relais mit zu hohen Strömen (z.B. zu hohe induktive oder kapazitive Lasten) zu Überschlägen geführt haben.

In manchen Fällen treten die Probleme aber auch speziell bei den mit sehr niedrigen Strömen betriebenen Relais auf, da hier die Ströme zu gering sind, um die Kontakte elektrisch sauber zu halten.

Aufgrund der typischerweise sehr hohen Anforderungsbandbreiten vieler Relais ist es wichtig zu untersuchen, ob die Funktionsausfälle bei hohen Starkstromlasten oder kleinen Schaltlasten auftreten und ob vorrangig der Schließerkontakt (in Ruhestellung offen) oder der Öffnerkontakt (in Ruhestellung geschlossen) betroffen ist. Häufig haben die unterschiedlichen Zustände der Kontakte spezielle Probleme; im Zustand geschlossen werden z.B. auf der äußeren Ringfläche adsorbierte Verbindungen konzentrisch in die Kontaktzone hineingezogen (Kapillareffekt). Die Kontakte im Ruhezustand offen haben mehr Zeit, Verbindungen auf den Kontaktoberflächen zu akkumulieren.

Vor dem Hintergrund, dass die Hersteller pro Jahr z.T. einige 10⁷ Relais mit sehr geringer Ausfallrate produzieren, treten vergleichsweise hohe Fehlerraten aufgrund mechanischer Probleme praktisch nur in einem sehr engen Zeitfenster und gebunden an sehr kleine Produktionslots auf. Oft hilft hier der direkte optische Vergleich von i.O.- und n.i.O.-Relais.

Weitere Fehlerursachen beim Ausfall von Relais

Aufgrund der fortschreitenden Qualitätssicherung und -steigerung sind jedoch die immer wieder auftretenden Funktionsausfälle von Relais bei Fehlerraten im Bereich von deutlich unter 100 ppm nicht akzeptabel und führen zu Lieferstopps beim Endlieferanten sowie zur intensiven Suche nach den Fehlerursachen.

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