DE4234122C1 - Schaltungsanordnung zur Verminderung der Materialwanderung bei Schaltkontakten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vermin­ derung der Materialwanderung bei den Kontakten eines aus Silber und/oder einer Silberlegierung bestehenden Schaltkon­ taktpaars beim Abschalten einer ohmsch-induktiven Last in einem Gleichstromkreis mit einer Gleichspannungsquelle.

Induktive Lasten in Gleichstrom-Schaltkreisen treten bei­ spielsweise in Automobilen auf, wo infolge der Zunahme an Komfort und Sicherheit auch immer mehr Gleichstrommotoren eingesetzt werden. Insbesondere in Sicherheitssystemen, bei­ spielsweise dem Antiblockiersystem, wird dabei eine große Lebensdauer an Schaltspielen, aber auch eine hohe Schaltzu­ verlässigkeit, d. h. eine niedrige Ausfallrate, im Nutzungs­ bereich des Schaltgerätes, nämlich des Relais oder Schal­ ters, gefordert. Beide Kriterien, Lebensdauer und Ausfall­ rate, werden durch die Materialwanderung der Kontakte im Schaltbetrieb unter Last bei Gleichstrom stark beeinflußt. Wesentlich ist dabei die Spitzen- und Lochbildung auf den Kontakten, welche, statistisch gesehen, mit großer Wahr­ scheinlichkeit zu frühzeitigem Verhaken der Kontakte führt.

Das Phänomen der Materialwanderung ist seit langem bekannt. Verschiedentlich wurde auch bereits vorgeschlagen, durch Auswahl bestimmter Legierungen und bestimmter Kontaktpaarun­ gen diesen Effekt möglichst gering zu halten. Derartige Sil­ ber-Legierungen sind beispielsweise in der EP 0 448 757 A1 beschrieben. Bei der Auswahl der Kontaktwerkstoffe allein nach den Gesichtspunkten der Materialwanderung besteht je­ doch die Gefahr, daß andere Kontakteigenschaften nicht opti­ mal gewählt werden können.

In dem Buch von A. Erk/M. Schmelzle: Grundlagen der Schalt­ gerätetechnik; Springer-Verlag, 1974, Seiten 18, 19 und 198 bis 201, werden Untersuchungen über die Lichtbogendauer an Kontakten von Schaltgeräten beschrieben. Es wird dort er­ wähnt, daß die Lichtbogendauer von Gleichstromschaltern un­ ter anderem von den Konstanten des Stromkreises L und R und der Größe des Gleichstromes abhängt. Eine bestimmte Bemes­ sung der Stromkreiskonstanten wird dort jedoch nicht angege­ ben.

Auch in dem Buch von Keil/Merk/Vinaricky: Elektrische Kon­ takte und ihre Werkstoffe; Springer-Verlag, 1984, Seiten 58 bis 65, werden Untersuchungen über die Materialwanderung bei Gleichstromkontakten beschrieben. Die dortigen Untersuchun­ gen beziehen sich allerdings ebenfalls hauptsächlich auf die Auswahl bestimmter Kontaktwerkstoffe, um die Materialwande­ rung in Grenzen zu halten, während von einer bestimmten Stromkreisbemessung nicht die Rede ist.

Eine andere bekannte Möglichkeit zur Vermeidung der Mate­ rialwanderung besteht darin, den Schaltlichtbogen schal­ tungstechnisch durch Funkenlöschglieder abzufangen. Eine solche Zusatzschaltung ist jedoch kostenaufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Schaltungsanordnung mit Schaltkontakten aus Silber bzw. einer Silberlegierung und einer induktiven Last die Materialwanderung schaltungs­ technisch auf möglichst einfache Weise zu vermeiden, ohne daß das Kontaktmaterial speziell ausgewählt werden muß und ohne daß aufwendige zusätzliche Schaltungselemente im Last­ kreis erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die die Brenndauer des Abschaltlichtbogens maßgeblich bestim­ mende Zeitkonstante T, gebildet aus dem Verhältnis von In­ duktivität L zu ohmschem Widerstand R des Lastkreises, in Abhängigkeit vom Abschaltstrom i nach folgender Beziehung festgelegt ist:

für 1A i 20 A (Bereich TB1):

T [µs] = L/R [µs] = (10 ± 5) [µs/A]_*i [A]

für 20 A i 30 A (Bereich TB2):
200 [µs] < T < L/R 10 [ms].

Bei der Erfindung wird also für den in der Praxis am meisten interessierenden Bereich des Abschaltstromes von 1 bis 30 A eine Bemessungsregel für den Lastkreis, nämlich für das Ver­ hältnis der Induktivität zum ohmschen Widerstand und damit für die Lichtbogenbrenndauer gegeben, mit der die Material­ wanderung ganz unterdrückt oder zumindest stark vermindert werden kann. Die Erfindung macht sich dabei folgende Er­ kenntnis zunutze:
Die Materialwanderung ist das Ergebnis von asymmetrischen Verdampfungsprozessen auf den beiden Kontakten, nämlich der Anode und der Kathode. Diese ergeben sich im wesentli­ chen durch den Abschaltlichtbogen, besonders bei indukti­ ven Belastungen. Entscheidend ist dabei die Brenndauer dieses Abschaltlichtbogens. In gewissen Bereichen der Brenndauer kann sich die Asymmetrie der Verdampfungspro­ zesse infolge spezieller physikalischer Effekte so aus gleichen, daß im Endeffekt die Materialwanderung annähernd zu Null wird, also keine Spitzen und Löcher auf den Kon­ taktoberflächen entstehen. Ein solches relativ ebenes Oberflächenprofil der Kontakte verringert die Verhakungs­ gefahr entscheidend, steigert die Lebensdauer und erhöht die Schaltzuverlässigkeit der Kontakte.

Da die Brenndauer des Abschaltlichtbogens im wesentlichen durch die Zeitkonstante, also durch die Abschaltinduktivi­ tät L des induktiven Bauelementes, beispielsweise eines Motors, und dessen ohmschen Widerstand R gegeben ist, kann man erfindungsgemäß beispielsweise die Motoren in dem Lastkreis so auswählen, daß der Abschaltlichtbogen die er­ findungsgemäß definierte Brenndauer einnimmt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbei­ spiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein einfaches Schaltbild eines Schaltkreises mit induktiver Last und

Fig. 2 eine Diagrammdarstellung für den erfindungsgemäß vorgegebenen Bereich der Zeitkonstante für den Abschalt­ lichtbogen in Abhängigkeit vom Abschaltstrom.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Lastkrei­ ses mit einer Gleichstromquelle B, einem Schaltkontakt S und einer induktiven Last, die durch die Reihenschaltung einer Induktivität L und eines ohmschen Widerstandes R dargestellt ist. Diese Last ist vorzugsweise ein Gleich­ strommotor, wie er etwa in Automobilen zum Antrieb ver­ schiedener Funktionseinheiten dient.

Fig. 2 zeigt in logarithmischem Maßstab über dem Ab­ schaltstrom i aufgetragen die Zeitkonstante T als Verhält­ nis von Induktivität L und ohmschen Widerstand R, welche die Lichtbogenbrenndauer bestimmt. Dabei sind die erfin­ dungsgemäß vorgesehenen Bereiche für die Festlegung der Zeitkonstante T jeweils schraffiert eingezeichnet, nämlich der Bereich TB1 für Abschaltströme von 1 A bis etwa 20 A und der Bereich TB2 für Abschaltströme zwischen 20 A und 30 A. Die Bereiche besitzen jeweils eine bestimmte Band­ breite, wobei grundsätzlich davon auszugehen ist, daß bei niedrigeren Abschaltströmen die Zeitkonstante mehr an der unteren Grenze des jeweiligen Bereiches und bei höheren Abschaltströmen die Zeitkonstante mehr an der oberen Gren­ ze des Bereiches liegen sollte. Die genauen Werte für eine optimale Ausschaltung der Materialwanderung kann im Ein­ zelfall für die verwendeten Kontaktmaterialien durch ein­ fache Versuche ermittelt werden.

Bei Kombinationen von Abschaltströmen und Lichtbogen- Brenndauern, die in Fig. 2 links und oberhalb der beiden optimalen Bereiche TB1 und TB2 liegen, ergibt sich durch die Materialwanderung ein Anodengewinn, bei Kombinationen rechts und unterhalb dieser optimalen Bereiche führt die Materialwanderung zu einem Kathodengewinn.

Die maximale Obergrenze der Brenndauern der Schaltlichtbö­ gen im Bereich TB2 sollte 10 ms nicht überschreiten, da bei Schaltgeräten der üblichen Konstruktion, also bei Re­ lais und Schaltern, oberhalb dieser Brenndauer der Schalt­ lichtbogen, statistisch gesehen, nicht mehr sicher bei ge­ öffnetem Kontakt erlischt. In diesem Fall besteht die Ge­ fahr, daß das Kontaktsystem unter Umständen in kurzer Zeit bei einem einzigen Schaltspiel thermisch zerstört wird.

Im Falle einer zusätzlichen elektrischen Beschaltung der Schaltlast im Sinne einer Teil-Funkenlöschung oder der Be­ schaltung der Antriebsspule des Schaltgerätes zum Schutze der Ansteuerelektronik (Widerstand, Diode, etc.) gilt für die Zeitkonstante natürlich der sich aktuell ergebende Wert des Schaltkreises, welcher in diesem Fall natürlich von den Lastparametern (L, R) und den diversen Beschal­ tungsparametern abhängt. Dieser kann meßtechnisch erfaßt und in die angeführten günstigen Bereiche nach der Erfin­ dung hineinoptimiert werden. Es ist also hierbei nicht nö­ tig, den Schaltlichtbogen zu löschen, was unter Umständen schwieriger und aufwendiger wäre, vielmehr genügt eine Op­ timierung bezüglich seiner Brenndauer.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur Verminderung der Materialwanderung bei den Kontakten eines aus Silber und/oder einer Silberle­ gierung bestehenden Schaltkontaktpaars (S) beim Abschalten einer ohmsch-induktiven Last (R, L) in einem Gleichstrom­ kreis mit einer Gleichspannungsquelle (B), dadurch gekennzeichnet, daß die die Brenndauer des Abschaltlichtbogens maßgeblich bestimmende Zeitkonstante T, gebildet aus dem Verhältnis von Induktivität L zu ohmschem Widerstand R des Lastkreises, in Abhängigkeit vom Abschaltstrom i nach folgender Beziehung festgelegt ist: für 1A i 20 A (Bereich TB1):T (µs) = L/R [µs] = (10 ± 5) [µs/A]_*i [A]für 20 A i 30 A (Bereich TB2):
   200 [µs] < T = L/R 10 [ms].