Zacken in der Krone

Relais Zacken in der Krone

28.09.2006Redakteur: Kristin Rinortner

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Wie man es auch dreht und wendet, der universelle Schaltkontakt für Relais ist derzeit nicht in Sicht. Ungeachtet dessen gibt es jedoch Lösungen, die das Lastspektrum der Relais erweitern und somit dem Wunsch nach zuverlässigem Schalten über einen weiten Lastbereich näher kommen.Relais mit zwangsgeführten Kontakten nach EN 50205 stellen innerhalb der General Purpose Relays eine besondere Gruppe dar. Eingesetzt in sicherheitsrelevanten Steuerungen treffen sich in der Regel Lastextreme. Auf der einen Seite werden kleinste Lasten als Rückmelde- oder Freigabesignale abgefragt und zum anderen werden hohe Schaltlasten von Schützspulen, Magnetventilen oder Elektromotoren gleichzeitig in demselben Relais geschaltet. Dieser Spagat wird noch durch seine Aufgabe als sicherheitsrelevantes Funktionselement in der Steuerung erschwert. Ein Fehlverhalten des Relais, auch wenn es nicht sicherheitsrelevant ist, führt zumindest zu Funktionsunterbrechungen. Bei einer Lebensdauer der Sicherheitsschaltgeräte, Sensoren, Liftsteuerungen und Notbremssysteme von bis zu 20 Jahren ist das Langzeitverhalten ein entscheidendes Beurteilungskriterium.Überdimensionierung und Lastreduzierung ist und war ein beliebtes Mittel zur Erhöhung der Relaislebensdauer und Zuverlässigkeit. Bringt dieser Mehraufwand eine höhere Sicherheit oder suggeriert er dies nur? Und wie steht es mit dem Verhältnis von Aufwand und Kosten? Bei der Entwicklung von Relais bestimmt insbesondere das Zusammenspiel der Relaiskonstruktion mit dem Kontaktmaterial und die Gestaltung von Kontaktstück und Kontaktfeder das spätere Schaltverhalten.Kontaktwerkstoffe und RelaiskonstruktionDie heute verwendeten Silberbasislegierungen wie z.B. schmelzmetallurgisch hergestelltes AgNi0,15; AgCuNi oder sintermetallurgisch produziertes AgSnO2 und AgNi10 decken weite Schaltlastbereiche ab. Gute Legierungen zeichnen sich durch feinkörnige Gefügestrukturen, gute Verarbeitbarkeit, gleichmäßiges Abbrandverhalten sowie gutes Korrosionsverhalten aus. Inwieweit sich Kontaktwerkstoffe nutzen lassen, wird jedoch zu einem Großteil durch die Relaiskonstruktion bestimmt. Dabei sind die konstruktiven Einflussgrößen angefangen vom Verbindungsverfahren zwischen Kontaktstück und Kontaktfeder bis hin zu den mechanischen Bedingungen wie Nachlaufwege, Kontaktkraft oder Aufbau des Magnetsystems entscheidend. So hat die Spulenerwärmung z.B. direkten Einfluss auf das Prellverhalten der Kontaktfeder, auf den Kontaktabbrand und demzufolge auf die Relaislebensdauer. An den oberen Lastgrenzen angelangt, helfen auch bei der besten Relaiskonstruktion nur externe Schutzmaßnahmen, die z.B. Einschaltströme begrenzen und Spannungsspitzen abschneiden. Dabei ist bei sicherheitsrelevanten Anwendungen darauf zu achten, dass im Fehlerfall kein ungewolltes Überbrücken der geöffneten Kontakte erfolgt. Oft sind die Lastgrenzen fließend und eine vermeintlich kleine Last führt zu Ausfällen. Lasten unterhalb der Lichtbogengrenzspannung können sich durch kritische Ein- bzw. Ausschaltbedingungen oder Materialwanderungseffekte als problematisch herausstellen. Rücksprache mit den Herstellern und nötigenfalls Schaltuntersuchungen helfen Klarheit zu schaffen und geeignete Schutzmaßnahmen zu entwickeln. Nicht selten werden dabei Lebensdauererhöhungen um den Faktor 2 bis 3 erreicht.Eine Frage der ZuverlässigkeitIm Signallastbereich ist die Zuverlässigkeit das entscheidende Kriterium. Doch wie lässt sich Zuverlässigkeit garantieren? Mit geringer werdenden Schaltlasten werden diese Aussagen immer schwieriger. Halten wir uns vor Augen, dass „Relais mit zwangsgeführten Kontakten“ (EN 50205), die in sicherheitsgerichteten Systemen zum Einsatz kommen, offene Relaiskonstruktionen sind. Diese Relais sind weder durch ein Schutzgas, wie z.B. in Telekomrelais oder durch Evakuierung in einem Glasrohr (z.B. Reedrelais) besonders vor Umwelteinflüssen geschützt. Selbst die heute verwendeten Hochleistungskunststoffe gasen aus, Spulenlackdrähte sind hygroskopisch und RTIII (IP 67) bedeutet eben nicht, dass ein Relais vollkommen gasdicht ist. Somit sind Langzeiteffekte nicht auszuschließen.Unangenehm ist, dass diese Effekte oft erst nach längerer Zeit auftreten und durch Schaltversuche kaum festzustellen sind. Diese organischen Schichten und Ablagerungen auf den Kontaktoberflächen wirken sogar zu Beginn ihres Auftretens oftmals positiv auf die Kontaktübergangswiderstände, da durch die Liquidität der Fremdschichten die Makrostruktur der Kontaktoberfläche eingeebnet wird. Mit der Zeit können sich durch Aushärtung und zusätzliche Kontamination der Kontaktstelle mit Kontaktabrieb die Übergangswiderstände bis hin zur Isolation erhöhen. Konstruktive Gegenmaßnahme ist die Kontaktreibung der Kontaktstücke zueinander. Mit ihr wird eine mechanische Reinigung (Frittung) der Kontaktzone erzielt. Goldkontaktschichten sind ein weiteres Mittel. Leider hat Gold neben dem hohen Preis den Nachteil, dass diese Schichten nur gegen korrosive Belegung schützen und bei Schaltlasten oberhalb der Trockenschaltungen bereits beschädigt werden. Goldschichten mit Schichtstärken unter 4 bis 6 µm Gold sind meist noch nicht deckend und somit technisch nicht relevant, sie dienen oft nur als Lagerschutz. Weitere gängige Maßnahmen sind die Erhöhung der Kontaktstellen und die Erhöhung der Flächenpressung. Aus diesen grundsätzlichen Überlegungen entwickelten sich in der Vergangenheit mit dem Doppel-, Schneiden- und Kronenkontakt verschiedene Kontaktformen. Doppelkontakt: Er besteht aus zwei Kontaktstücken, die an einer Kontaktfeder angebracht sind. Die Kontaktfeder ist zumeist zwischen den Kontaktstücken geteilt. Somit wird die Kontaktkraft geringer gegenüber dem Einzelkontakt und der Raumbedarf ist etwas größer. Schneidenkontakt: Er gewährleistet durch seine keilähnliche Kontaktform eine hohe Flächenpressung, ist jedoch bei höheren Lasten und Kontaktkräften sowie bei weichen Kontaktmaterialien wenig formstabil. Kronenkontakt: Er vereint durch den als erhobenen Ring ausgebildeten Nietrand und eine asymmetrische Anordnung der Kontaktstücke zueinander die Funktion der Doppelkontaktierung mit der des Schneidenkontaktes. Eine höhere Flächenpressung bei unveränderter Kontaktkraft und geringem Raumbedarf gegenüber Doppelkontakten zeichnen dieses System aus.Um dem Wunsch nach hoher Zuverlässigkeit bei kleinen Schaltlasten noch besser zu entsprechen, hat ELESTA ein spezielles Kontaktsystem entwickelt, welches bei Kontakten der Baureihe SIS zur Anwendung kommt. Die Lösung ist der zum Patent angemeldete Zackenkronenkontakt. Die Basis bildet ein Einfachkontakt, der bereits seit Jahren in der Relaisbaureihe SIS eingesetzt wird und für Ströme ab 5 mA geeignet ist. Der Flachkontakt wurde am Rand mit einem keilförmigen Ring versehen, der eine Krone bildet. Die so entstandene Krone ist durchbrochen und so entstehen Nuten, die wie Zacken aussehen. Deshalb wird dieser Kontakt als Zackenkrone bezeichnet. Das Gegenstück zur Zackenkrone ist der altbewährte Einfachkontakt. Durch die optimale Gestaltung des Zackenkronenkontaktes im Kontaktsystem ergeben sich durchschnittlich 12 Kontaktstellen auf dem Flachkontakt. Es werden die Vorteile von Schneidenkontakt und Doppelkontakt geschickt genutzt und dadurch eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit der Kontaktgabe erreicht. (Zwei Kontaktstellen gewährleisten eine zehnfache Zuverlässigkeit der Kontaktgabe). Hinzu kommt die Stabilität der Übergangswiderstände im Bereich weniger mOhm. Zuverlässigkeit bei kleinen Schaltlasten steigernMithilfe der neuen Kontaktform „Zackenkrone“ konnte bei identischem Raumbedarf die Zuverlässigkeit im Langzeitverhalten um ein Vielfaches kostenneutral gesteigert werden. Weder besondere konstruktive Maßnahmen am Relais noch eine zusätzliche Kontaktveredlung durch Goldschichten wurden notwendig.Anwendung findet das Kontaktsystem „Zackenkrone“ in Relais mit zwangsgeführten Kontakten der Baureihe SIS (zwei bis sechs Kontakte). Die Relais sind vergossen und entsprechen der Schutzart RTIII. Durch die sehr kompakte Bauart mit einer Länge von 29,2 mm (2 oder 3 Kontakte) bzw. 48 mm (4 oder 6 Kontakte), einer Höhe von 16,3 mm und Breite von 16,6 mm zählen diese Relais zu den kleinsten dieser Bauart. Abgerundet werden die Leistungseigenschaften durch die geringe Spulenerregerleistung, die je nach Ausführung zwischen 275 und 700 mW liegt. Die Schaltkontakte bestehen aus AgCuNi (Hartsilber) und sind in der Standardausführung für Schaltströme von 5 mA bis 6 A (AC1) bei einer Schaltspannung von 5 mV bis 240 VAC/DC ausgelegt. Bei Schaltleistungen unter 50 mW sollte Rücksprache mit dem Hersteller gehalten werden.Jürgen Steinhäuser

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