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Bordnetz

Was Relais im neuen 2-Spannungs-Bordnetz leisten müssen

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TE Connectivity

Kein Lichtbogen bei kleinen Strömen und Spannungen

In Bild 3 ist die statische Lichtbogengrenzkurve frei brennender Lichtbögen dargestellt. Im Bereich 1), d.h. bei Strömen kleiner Imin bzw. Spannungen kleiner Umin, kann kein Lichtbogen existieren („Schaltfunken“). Diese Grenzwerte sind vom Elektrodenmaterial abhängig und bewegen sich zwischen 12 ≤ Umin ≤ 16 V; 0,3 ≤ Imin ≤ 1,2 A bei den üblich verwendeten Kontaktmaterialien.

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Nähert man sich dem Bereich von Lichtbogenmindestspannung und -strom (Bereich 2), so können beim Schaltvorgang kurze, instabile Lichtbögen ohne Lichtbogenplasma auftreten, wobei der Lichtbogenabriss statistisch ist. Erst bei sicherer Überschreitung dieser vom Elektrodenwerkstoff abhängigen, statistischen Grenzwerte können stabil brennende Schaltlichtbögen (Bereich 4), auftreten. Der ebenfalls dargestellte Bereich 3, beschreibt das Phänomen der Glimm- bzw. Korona- Entladung, bei der durch Feldemission aufgrund der hohen äußeren Feldstärke Ladungsträger aus den Elektroden emittiert werden[3].

Beurteilung des Schaltvermögens eines Relais

Zur Beurteilung des Schaltvermögens eines Relais wird gewöhnlich eine Abschätzung anhand der sogenannten Lastgrenzkurve 2 durchgeführt. Sie gibt die Laststrom-Lastspannungs-Paare an, bei denen ein sicheres Abschalten für den ohmschen Fall gewährleistet ist. Zur Ermittlung dieser Kurve werden üblicherweise die Wertepaare experimentell bestimmt, bei denen eine maximale Brenndauer von 10 ms gerade erreicht ist. Jeder Datenpunkt der Lastgrenzkurve wird mit 1000 Schaltspielen abgesichert. Eine derart gemessene Lastgrenzkurve ist dann eigentlich identisch mit der sogenannten Lichtbogengrenzkurve [10].

Die Lichtbogengrenzkurve wird aus der Lichtbogencharakteristik abgeleitet, indem alle Widerstandsgeraden bestimmt werden, die die Charakteristik-Kurve tangieren. Die Schnittpunkte jeder dieser Widerstandsgeraden mit Abszisse und Ordinate ergeben dann die Wertepaare für die Lichtbogengrenzkurve [8]. Da eine wirklich ohmsche Messung aber niemals realisiert werden kann, liegt die wie beschrieben ermittelte Lastgrenzkurve immer etwas unterhalb der idealen Lichtbogengrenzkurve.

Die Ableitung einer Aussage über die Verwendbarkeit eines bestimmten Relais aus der Lastgrenzkurve ist natürlich mit Unsicherheiten verbunden. Selbst wenn man Lastgrenzkurven auch für induktive Lasten ermittelt hat, kann aus den mit jeweils 1000 Schaltspielen abgesicherten Werten schwer auf die Fähigkeit des Schalters geschlossen werden, etwa einer Applikation mit geforderten 100.000 Schaltspielen zu genügen. Darüber hinaus muss das 10 ms-Kriterium beim Schalten von 48 V Lasten völlig neu bewertet werden [10].

Steigende Lastinduktivität verschiebt Lastgrenzkurve

In Bild 4 ist die Lastgrenzkurve des TE Connectivity Schaltrelais K (mit zwei Einfachkontakten, je 20 A) und Schaltrelais K-B (mit Brückenkontakt, 35 A) für ohmsche Belastung dargestellt. Werte unterhalb der jeweiligen Lastgrenzkurve bedeuten, dass der Lichtbogen innerhalb einer Lichtbogendauer tB von maximal 10 ms sicher erlischt. Oberhalb der Lastgrenzkurve spricht man vom stehenden Lichtbogen, das heißt auch bei voll geöffneten Kontakten kommt es zu keiner Löschung des Bogens. Mit steigender Lastinduktivität wird die Lastgrenzkurve nach unten verschoben, zu kleineren Spannungen. Ein Beispiel in Bild 5 zeigt diesen Verlauf an einem TE Connectivity Steckrelais.

Maßnahmen zur Vergrößerung der Lichtbogenspannung

Reicht zur Gleichstromabschaltung eine Einfachunterbrechung bei gegebenem Kontaktabstand lK nicht aus, so stehen verschiedenste konstruktive Maßnahmen zur Vergrößerung der Lichtbogenspannung zur Verfügung, von denen zu nennen sind:

  • Vergrößerung des Kontaktabstandes: Erhöhung des Säulengradienten.
  • Mehrfachunterbrechung, z.B. Brückenkontakt (Form X/Y): Aufteilung des Lichtbogens in mehrere serielle Teillichtbögen. (Bilder 4 und 5).
  • Verlängerung der Lichtbogensäule durch spezielle Elektrodenform (z.B. klassische Hörner) mit/ohne zusätzliche Isolierstege.
  • Löschblechkammer: Aufteilung des Lichtbogens in mehrere Teillichtbögen, (Addition der Spannungsabfälle mehrerer Fallgebiete: Deion-Prinzip); Hierbei wird der Lichtbogen in die Löschbleche von entsprechend konstruierten Löschblechkammern getrieben und aufgeteilt, wodurch sich dessen Spannungsbedarf ebenfalls vervielfacht[4].
  • Kühl- bzw. Isolierstoffkammern, (Kühlung des Lichtbogens).

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