Was Relais im neuen 2-Spannungs-Bordnetz leisten müssen

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Mit den herkömmlichen Relais kann dies nicht ohne weiteres gelingen, da es hier beim Schalten prinzipiell zur Ausbildung stabil brennender Gleichstromlichtbögen kommen kann. Dies hängt in erster Linie vom Kontaktabstand ab. Ist er zu klein, kann der Stromkreis beim Öffnen der Kontakte nicht unterbrochen werden und der nicht verlöschende Lichtbogen zerstört das Relais. Zum Verständnis der auftretenden Erscheinungen ein kleiner Exkurs in die Grundlagen der Schaltlichtbögen ^{[3] [4] [8] [5]}. Der Ausschaltvorgang eines elektromechanischen Schaltgerätes lässt sich in folgende Phasen einteilen:

Verringerung der Kontaktkraft.

Bildung einer Schmelzbrücke: Kontakte beginnen sich zu öffnen – durch die erhöhte Feldstärke beginnt Material zu schmelzen.

„Explodierende“ Schmelzbrücke: Durch weitere Vergrößerung des Kontaktspaltes erhitzt sich die Schmelzbrücke immer weiter auf, bis die Siedespannung des Kontaktmaterials erreicht ist.

Metalldampfbogen/Anodenbogen/Kathodenbogen: Sobald beim Öffnen die Bogenzündspannung erreicht wird, entsteht ein Lichtbogen.

Gas/Plasmabogen.

Lichtbogenlöschung.

Direkt nach dem Zünden des Lichtbogens steht die Anoden-Kathodenfallspannung über den sich öffnenden Kontakten an. Die Lichtbogenspannung steigt linear mit der Öffnungsstrecke l zwischen den Elektroden, bis es beim Einlauf in das Löschsystem zum steilen Anstieg der Bogenspannung kommt. Der Strom wird durch den Schaltlichtbogen begrenzt und zu Null gezwungen. Der Lichtbogen erlischt, und über den Kontakten steht die volle Netzspannung U an.

In Bild 2 ist ein exemplarischer Potenzialverlauf eines statischen Lichtbogens zwischen zwei Elektroden dargestellt. Die Gesamtlichtbogenspannung U_LB setzt sich aus den Teilspannungen des Anodenfalls U_A, des Kathodenfalls U_K und dem Säulengradienten (Lichtbogenlänge l_B) zusammen. Für einen frei brennenden Lichtbogen in Luft beträgt dieser

E ≈ 30 V/mm.

U_LB = U_A+ U_K + l_B^. E

In der zwischen den Kontakten entstehenden Lichtbogensäule treten je nach zu schaltendem Strom Temperaturen von ungefähr 5000 (~1 A) bis 12.000 K (~100 A) auf ^[5]. Bei diesen Temperaturen kommt es zur Ausbildung eines Plasmas (Elektronendichte = Ionendichte).

Die Stärke des elektrischen Feldes ist an der Kathode am größten. In diesem sogenannten Kathodenfall bezeichnetem Gebiet, werden durch den Aufprall positiver Ionen, Elektronen erzeugt und stark beschleunigt. Die Fallspannung des Kathodenraumes beträgt etwa 8 V und baut sich in einem eng begrenztem Gebiet des Kathodenraumes von 10^-5 bis 10^-4 cm auf. Die Fallspannung innerhalb des Anodenraumes, erzeugt durch eine negative Raumladungszone vor der Anode, ist geringer und liegt bei etwa 4 V ^[4].

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