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Häufig schaltender Kontakt, insbesondere für mechanische Stromrichter
Bei elektrischen Kontakten spielen je nach dem Verwendungszweck verschiedene Gesichtspunkte
für die Wahl des Kontaktmaterials eine ausschlaggebende Rolle. Ein Hauptgesichtspunkt
ist der des Kontaktwiderstandes. Der Kontaktwiderstand kommt dadurch zustande, daß
die beiden Kontaktmetalle sich nur an wenigen Stellen berühren, so daß an der Berührungsstelle
der für den Stromdurchgang zur Verfügung stehende Querschnitt gering ist. Man nennt
diesen Widerstand Engewiderstand. Der Engewiderstand wird um so kleiner, je größer
der Kontaktdruck und die Leitfähigkeit des Kontaktmaterials sind und je kleiner
die Härte des Kontaktmaterials ist. Denn schon bei geringer Härte reicht ein verhältnismäßig
kleiner Druck aus, um verhältnismäßig große Berührungsflächen zu schaffen. Außer
dem Engewiderstand kann noch ein Hautwiderstand an der Berührungsfläche vorhanden
sein, nämlich dann, wenn die beiden Kontakte nicht direkt zur metallischen Berührung
kommen, sondern eine isolierende Fremdschicht zwischengeschaltet ist. Wenn diese
Fremdschicht genügend dünn ist, z. B. zo--8 bis zo-e cm, so ist sie infolge des
sogenannten Tunneleffektes für Elektronen durchlässig. Derartige Fremdschichten
werden z. B. durch einmolekulare Sauerstoff-, Wasserdampf- oder ölhäute gebildet.
Bei genügend hohem Druck und
großer Schaltzahl werden diese Schichten
auf den Metalloberflächen zerstört, so daß die Kontaktmetalle in direkte Berührung
miteinander gelängen. In diesem Fall besteht die Gefahr, daß die beiden Kontaktmetalle,
auch wenn der Kontakt vollkommen strom- und spannungsfrei betätigt wird, kalt miteinander
verschweißen. Bei der Wiederöffnung des Kontaktes müssen die Schweißstellen auseinandergerissen
werden. Dieses Abreißen braucht nicht genau in der ursprünglichen Kontaktebene zu
erfolgen, so daß bei oft wiederholten Schaltvorgängen die Kontaktflächen rauh und
uneben werden können. Mit dem Aufreißen der Schweißstelle ist gleichzeitig eine
gewisse Absplitterung von Kontaktmetall verbunden, welche einen Verschleiß und außerdem
die Gefahr mit sich bringt, daß durch den Metallstaub der bereits geöffnete Kontakt
überbrückt wird, so daß Rückzündungen auftreten können.
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Eine besonders große Neigung zum Verschweißen zeigt Silber gegen Silber.
Kontakte aus Silber-Silber haben, abgesehen von der Verschweißneigung, gute Kontakteigenschaften,
nämlich bereits bei kleinen Kontaktdrücken kleinen Kontaktwiderstand, da das Silber
sehr weich ist und wenig Neigung hat, auf der Oberfläche isolierende Fremdschichten
anzunehmen, z. B. zu oxydieren. Außerdem bleiben bei auftretenden Schaltlichtbögen
die Fußpunkte der Lichtbögen metallisch rein und weich, so daß sie sich unter dem
Kontaktdruck wieder einebnen und gut leitend bleiben.
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Nach der Erfindung wird die große Verschweißneigung des Silber-Silber-Kontaktes
ohne allzu großen Verlust der guten Eigenschaften dieser Kontaktanordnung dadurch
erheblich verringert, daß statt Silber-Silber die Kombination Silber-Zink angewendet
wird. Eine Kaltverschweißung zwischen Silber und Zink tritt praktisch nicht auf,
im Gegensatz zu anderen Kombinationen, wie Silber-Nickel, bei dem die Verschweißneigung
zwar klein, aber immerhin noch spürbar ist. Der elektrische Widerstand von Zink
ist zwar erheblich größer als der von Silber, ist aber immer noch etwas geringer
als Nickel. Die Härte des Zinks ist etwa ebenso groß wie die von Silber im Gegensatz
zu' z. B. Nickel, welches bis zu dreimal härter als Silber oder Zink ist. Große
Härte bedeutet bekanntlich großen Kontaktwiderstand.
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Um bei auftretenden Schaltentladungen möglichst günstige Abbrandverhältnisse
zu schaffen, verwendet man den Kontakt nach der Erfindung nach Möglichkeit mit solcher
Polarität im Stromkreis, daß die Abbrandspuren für den Betrieb des Gerätes am wenigsten
störend werden. Durch die Lichtbogenfußpunkte wird einerseits das Kontaktmetall
geschmolzen und bildet nach .dem Erstarren Unebenheiten, andererseits können sich
beim Zink weniger gut leitende Oxyde oder auch kompliziertere, schlecht leitende
chemische Verbindungen bilden. je nach den Umständen hat man durch die Wähl der
Polarität Einfluß darauf, diese schädlichen Wirkungen möglichst gering zu halten.
i Natürlich brauchen nur die eigentlichen Berührungsflächen des Kontaktes aus Silber
bzw. Zink zu bestehen. Zum Beispiel genügt es, normale Kupferkontakte an den Berührungsstellen
mit einer Schicht von r mm Stärke zu überziehen. Die Befestigung des Silbers bzw.
Zinks auf der Unterlage kann z. B. durch kaltes Einpressen in schwalbenschwanzförmige
Nuten oder durch Nieten erfolgen, welche man zweckmäßigerweise aus dem gleichen
Metall wählt wie die Kontaktflächen selbst, also aus Silber bzw. Zink. Man kann
die Befestigung auch durch Löten oder Schweißen oder auf ähnliche Art vornehmen.
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Unter Umständen ist es zweckmäßig; dem Silber bzw. dem Zink noch gewisse
Beimengungen zu geben, um noch günstigere Eigenschaften des Kontaktes zu erzielen.
So ist z. B. bekannt, daß die Stoffwanderung, welche unter dem Einfluß elektrischer
Entladungen bzw. des elektrischen Feldes an den Kontakten auftritt und welche ebenfalls
einen Verschleiß darstellt, bei gewissen Metalllegierungen geringer sein kann als
bei reinen Metallen. Die Zusätze zu den reinen Metallen können auch die Aufgabe
erfüllen, die Härte der Kontaktmaterialien nach der einen oder anderen Richtung
zu beeinflussen; um sie dem zur Verfügung stehenden Kontaktdruck anzupassen.
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Wenn bei sehr hohem spezifischem Kontaktdruck, bei hoher Schalthäufigkeit
oder bei hoher Temperatur die Verschleißneigung,der Anordnung Silber-Zink noch zu
groß ist, so kann man beispielsweise durch Einfetten des Kontaktes eine gewisse
Schutzschicht auf die Kontaktoberflächen bringen, welche das Verschweißen ganz unterbindet,
ohne den Kontaktwiderstand wesentlich zu vergrößern, denn zur Verhinderung des Verschweißens
genügt bereits eine sehr geringe Dicke der Schutzschicht, beispielsweise eine einmolekulare
Ölhaut, welche infolge des Tunneleffektes für Elektronen noch eine große Durchlässigkeit
besitzt.
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Von besonderer Bedeutung ist unter Umständen die geringe Standfestigkeit
des Zinks. Man kann sie besonders in Kontaktgeräten, in denen sich Kontaktbahnen.
aufeinander abwälzen, dazu ausnutzen, daß breite Berührungsflächen sich bilden,
indem nämlich das Zink an den Stellen, wo es zu sehr gedrückt wird, im Laufe der
Zeit wegfließt, so daß auch noch andere Stellen zur Berührung kommen und den Kontaktdruck
mittragen. Damit dieses Fließen des Metalls bei eingelaufenen Kontauten, d. h. genügend
großen Berührungsflächen, zum Stillstand kommt, muß der Kontaktdruck je Flächeneinheit
einen ganz bestimmten Wert haben. Unter Umständen ist es zweckmäßig, durch Zusätze
zum Zink die Standfestigkeit nach der einen oder anderen Richtung zu beeinflussen.
Kontakte nach der Erfindung wendet man mit besonderem Vorteil an bei mechanischen
Stromrichtern, welche mit Druck- oder Walzenkontakten, also mit nichtschleifenden
Kontakten, arbeiten. Bei diesen Geräten ist nämlich im allgemeinen die Stromstärke
und damit der Kontaktdruck groß, ebenso die Schalthäufigkeit, so daß die Gefahr
des Verschweißens
im Laufe des Betriebes unter Umständen eine ernsthafte
Schwierigkeit im Hinblick auf die Dauerfestigkeit der Kontakte bedeutet. Im-normalen
Betrieb können dabei Schaltentladungen durch die bekannten Entlastungsmittel, wie
Primärventile, Schaltdrosseln, Löschkondensatoren usw., vermieden sein, es läßt
sich jedoch praktisch nicht verhindern, daß in gelegentlichen Störungsfällen Schaltfeuer
an den Kontakten auftritt. Dieses Schaltfeuer ist in vielen Fällen Rückstrom. Wie
bereits gesagt, legt man den Kontakt nach der Erfindung in diesen Fällen mit solcher
Polarität in den Stromkreis, daß die Zerstörungen an den Kontakten durch den Rückstromlichtbogen
möglichst klein bleiben.
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Wenn bei sehr großen Stromstärken zur Erzielung eines genügend kleinen
Kontaktwiderstandes ein so großer Druck erforderlich wird, daß dieser die Standfestigkeit
der Kontaktmaterialien, besonders des Zinks, überschreitet, so daß das Kontaktmaterial
unter dem Druck beiseite geschoben würde, so wendet man zweckmäßigerweise Kontakte
an, bei denen der Gesamtdruck auf mehrere getrennt abgefederte, elektrisch parallel
geschaltete Kontaktstellen verteilt wird. Die Kurven, welche die Leitfähigkeit einer
Kontaktstelle abhängig vom Druck darstellen, haben nämlich eine derartige Gestalt,
daß bei einer Verteilung des Gesamtdruckes auf mehrere Einzelkontakte der Widerstand
der Parallelschaltung dieser Einzelkontakte geringer wird. Es ist Sache der Konstruktion,
für eine genügende Anzahl getrennt abgefederter Berührungsstellen Sorge zu tragen.
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Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung bei magnetisch angetriebenen
Taumelwälzkontaktgeräten.