Relais für die Messtechnik Schalten bei sehr kleinen Lasten

Die Kontaktkinetik beeinflusst das Schaltverhalten und die Zuverlässigkeit von Relais bei Messtechnikanwendungen stark. Um Spannungen und Ströme im Mikrobereich sicher zu schalten, müssen die Konstruktionsparameter optimal aufeinander abgestimmt sein. Bei Minimallasten trennt sich die Spreu vom Weizen: Hinsichtlich Kontaktwiderstand, Kontaktkapazität und Thermospannung unterscheiden sich die Relaiskonstruktionen maßgeblich.

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Heitec AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Das Verhalten des Kontaktwiderstands über die Lebensdauer ist ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz von Relais bei Anwendungen im Kleinlastbereich. Zuverlässige Werte für diesen auch Trockenlastbereich genannten (dry circuit) Schaltbereich sind in Datenblättern für den Anwender oft nur ungenügend erklärt bzw. missverständlich dargestellt.

Die Schwierigkeiten ergeben sich daraus, den Kontaktwiderstand bei kleinen Strömen und Spannungen zu messen. Dies liegt daran, dass der Kontaktwiderstand vom Messstrom selbst abhängen kann. Außerdem ist es schwierig, eine Aussage über die gesamte Lebensdauer zu treffen, weil der Kontaktwiderstand von sehr vielen Faktoren beeinflusst wird. Neben der Schaltlast sind die Umgebungstemperatur und die Schaltfrequenz entscheidend.

• Jede Kontaktstelle, die Strom führende Leiter verbindet, verursacht einen zusätzlichen elektrischen Widerstand, der die Strombahn örtlich erwärmt. Unter „Kontaktwiderstand“ versteht man die Differenz zwischen dem an einem geschlossenen Kontakt gemessenen Widerstandswert und jenem eines gleich geformten homogenen Leiters [1].
• Metallisch reine Kontakte, die sich vollständig berühren, würden keinen signifikanten Kontaktwiderstand aufweisen. Wodurch kommt der Kontaktwiderstand also zustande?
• Die mechanische Berührungsfläche, die die Kontaktkraft aufnimmt, ist aufgrund mikroskopischer Unebenheiten der Kontaktoberflächen kleiner als die scheinbare Berührungsfläche.
• Die elektrisch leitende Berührungsfläche ist durch isolierende Verunreinigungen kleiner als die mechanische Berührungsfläche.
• Auch die leitende Berührungsfläche ist durch nichtmetallische leitende Beläge bedeckt, was den Kontaktwiderstand zusätzlich erhöht.

Selbst scheinbar ebene, planparallele Metalloberflächen können sich wegen der unvermeidbaren Rauhigkeit ihrer Oberflächen nie großflächig berühren, sondern nur an verhältnismäßig kleinen Teilen der scheinbaren Berührungsfläche. Mit zunehmender Kontaktkraft werden die mechanischen Berührungsflächen verformt und ihre Anzahl und Größe steigt damit.

Aufgrund der Unebenheit makroskopisch scheinbar glatter Oberflächen wird jede Makro-Berührungsstelle durch plastische Verformung mikroskopischer Spitzen in eine Gruppe von Mikro-Berührungsstellen aufgelöst.

Praktisch ist deshalb nach [1] die gesamte mechanische Berührungsfläche in guter Näherung durch die Gleichung 1 gegeben.

Für „Punktkontakte“ mit einer einzigen kreisförmigen Berührungsfläche gilt Gleichung 2.

Somit ist die Strombahn an der Kontaktstelle zwangsläufig bei Punktkontakten in definierter Weise auf einen Bruchteil des umgebenden Leiterquerschnitts eingeschnürt. Der durch eine kreisförmige Engstelle verursachte Engewiderstand kann näherungsweise nach Gleichung 3 berechnet werden [1].

Dies entspricht für Kontakte aus Gold bei einer Kontaktkraft von 0,1 N einem Engedurchmesser etwa 10 μm bzw. einem Engewiderstand etwa 1 mV.

Eine Halbierung des Engewiderstands der Berührungsstelle erfordert somit die vierfache Kontaktkraft. Wird diese zusätzliche Kraft nicht derselben, sondern z.B. der zweiten Kontaktstelle eines Zwillingskontakts zugeführt, bewirkt eine Verdopplung der Gesamtkraft eine Halbierung des Gesamtwiderstands. Ab einer gewissen Mindestkraft, die zur Gewährleistung der Kontaktsicherheit erforderlich ist, kann es also zweckmäßig sein, die Kontaktkraft auf parallele Kontaktstellen zu verteilen.

Viele Anwender, die Relais in der Messtechnik einsetzen, greifen auf so genannte Signalrelais oder Telekomrelais zurück. Diese decken typischerweise einen Schaltleistungsbereich von 10 10 W bis 60 W ab. Eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer wird hier durch Gold plattierte Crossbar-Doppellinienkontakte erzeugt.

Relais für sehr kleine Lasten

Soll ein Relais gezielt nur bei sehr kleinen Lasten verwendet werden, kann man mit wenigen Änderungen die Kontaktzuverlässigkeit eines Signalrelais noch deutlich erhöhen.

Folgende Überlegungen sollen dies verdeutlichen. Bei einer Schaltspannung von 1 mV und einem Strom von 1 μA beträgt der Spannungsabfall an einem Relaiskontakt mit 30 mV lediglich 30 nV und ist daher in den meisten Fällen vernachlässigbar. Es ist nicht entscheidend, den Kontaktwiderstand mit höheren Kontaktkräften zu minimieren, sondern über einen weiten Bereich an Schaltspielen möglichst konstant zu halten. Große Kontaktkräfte machen nur Sinn, wenn Ströme geschaltet werden, die zu einer nennenswerten Erwärmung der Kontaktstelle führen.

Wird die Kontaktkraft dagegen erniedrigt, ergeben sich folgende Vorteile: Zwar wird die Schaltleistung des Relais reduziert, aber damit auch die Energie, mit der die Kontaktstücke aufeinanderprallen. Durch die reduzierte Anzahl der Kontaktpreller wird die Goldschicht auf der Kontaktoberfläche mechanisch weit weniger beansprucht. Auch wird deutlich weniger Abrieb am Betätiger und anderen Reibstellen erzeugt. Damit lassen sich Lebensdauern bis zu 108 Schaltspiele bei gleich bleibendem Kontaktwiderstand erreichen.

Ein Relais mit genau diesen Eigenschaften ist das SX-Relais (Bild 1) von Panasonic Electric Works. Es trägt der zunehmenden Reduzierung der Schaltleistung Rechnung und kann in einem Schaltleistungsbereich von 10 9 W bis 100 mW eingesetzt werden. Durch die etwas reduzierte Kontaktkraft erreicht man einen Kontaktwiderstand von 50 mV bei einer Kontaktbelastung von 10 μA und 1 mV.

Vergleicht man die elektrischen Werte des SX-Relais mit denen des TX-Relais, sind augenscheinlich nur geringe Unterschiede feststellbar. Dennoch führen die Modifikationen des SX-Relais zu deutlichen Unterschieden im Lebensdauerverhalten beim Schalten von kleinen Lasten (Tabelle).

Ausfallverhalten von Systemen

Ein geeignetes Beschreibungs- bzw. Darstellungsmittel für unterschiedliches Ausfallverhalten von Systemen ist die Weibull-Verteilung bzw. das Weibull-Diagramm. Damit lassen sich alle drei Bereiche der so genannten Badewannenkurve (Frühausfälle, Zufallsausfälle und Verschleißausfälle) darstellen. Durch das Eintragen geeigneter Testergebnisse in ein Weibull-Diagram kann die Wahrscheinlichkeit F(t) für Verschleißausfälle bei einer definierten Schaltspielanzahl bestimmt werden.

Das in Bild 2 gezeigte Diagram verdeutlicht die Ausfallwahrscheinlichkeit für das SX- und das TX-Relais bei einer Kontaktlast von 1 V und 10 μA, wobei das dreimalige Erreichen eines Kontaktwiderstandes von 10V als Ausfall gewertet wurde. Dabei wird deutlich, dass das TX-Relais zwar bestens für Signallasten geeignet ist, ab einer gewissen Lebensdauer jedoch Verschleiß einsetzt. Das SX-Relais besitzt aufgrund der geringeren Kontaktkräfte zwar höhere Kontaktwiderstände und eine geringere Schaltleistung, aber dadurch auch ein optimiertes Verhalten in Bezug auf die Stabilität des Kontaktwiderstandes.

Um die Zuverlässigkeit von Systemen zu bestimmen, werden für die Komponenten Angaben zur Zuverlässigkeit benötigt. Das Ermitteln der möglichen ausfallfreien Einsatzdauer setzt die genaue Kenntnis der Beanspruchung und deren Häufigkeit voraus. Ebenfalls muss das Ausfallkriterium vom Anwender entsprechend definiert werden, um praxisnahe Abschätzungen zu machen.

Nur durch das genaue Festlegen dieser Größen ist eine Erfolg versprechende Auswahl des Bauteils möglich. Dabei wirken sich schon kleine Änderungen in der Bauteilkonstruktion deutlich auf das Bauteilverhalten und damit die Systemzuverlässigkeit aus.

Literatur: [1] Werner Rieder, Elektrische Kontakte, VDE Verlag, 2000

*Dipl.-Ing. (FH) Martin Bichler ist Application Engineer (PhotoMOS, SSR, Signalrelais und Relais mit zwangsgeführten Kontakten) für Relays & Components bei der Panasonic Electric Works Europe AG in Holzkirchen.

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