EP0664048B1 - Schaltungsanordnung mit schaltkontakten und einer induktiven last - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Schaltkontaktpaar aus Silber und/oder einer Silber-Legierung und mit einer induktiven Last, die über das Schaltkontaktpaar an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar ist.
• Induktive Lasten in Gleichstrom-Schaltkreisen treten beispielsweise in Automobilen auf, wo infolge der Zunahme an Komfort und Sicherheit auch immer mehr Gleichstrommotoren eingesetzt werden. Insbesondere in Sicherheitssystemen, beispielsweise dem Antiblockiersystem, wird dabei eine große Lebensdauer an Schaltspielen, aber auch eine hohe Schaltzuverlässigkeit, d. h., eine niedrige Ausfallrate, im Nutzungsbereich des Schaltgerätes, nämlich des Relais oder Schalters, gefordert. Beide Kriterien, Lebensdauer und Ausfallrate, 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 Wahrscheinlichkeit zu frühzeitigem Verhaken der Kontakte führen.
• Das Phänomen der Materialwanderung ist seit langem bekannt. Verschiedentlich wurde auch bereits vorgeschlagen, durch Auswahl bestimmter Legierungen und bestimmter Kontaktpaarungen diesen Effekt möglichst gering zu halten. Derartige Silber-Legierungen sind beispielsweise in der EP 0 448 757 A1 beschrieben. Bei der Auswahl der Kontaktwerkstoffe allein nach den Gesichtspunkten der Materialwanderung besteht jedoch die Gefahr, daß andere Kontakteigenschaften nicht optimal gewählt werden können.
• Eine andere bekannte Möglichkeit zur Vermeidung der Materialwanderung besteht darin, den Schaltlichtbogen schaltungstechnisch 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 schaltungstechnisch auf möglichst einfache Weise zu vermeiden, ohne daß das Kontaktmaterial speziell ausgewählt werden muß und ohne daß aufwendige zusätzliche Schaltungselemente im Lastkreis erforderlich sind.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer Schaltungsanordnung gemäß der Oberbegriff des Anspruchs 1 die Brenndauer des Abschaltlichtbogens durch die Zeitkonstante T aus dem Verhältnis der Induktivität L und des ohmschen Widerstandes R im Lastkreis in Abhängigkeit vom Abschaltstrom i nach folgender Beziehung festgelegt ist: $$\text{T |µs| =}\frac{\text{L}}{\text{R}}\text{= (10 ± 5) |}\frac{\text{µs}}{\text{A}}\text{| . i |A|}$$

  

     für 1 A ≤ i ≤ 20 A
     und $$\text{200 |µs| < T |µs| =}\frac{\text{L}}{\text{R}}\text{≤ 10 |ms|}$$

  

     für 20 A ≤ i ≤ 30 A.
• 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 Verhältnis der Induktivität zum ohmschen Widerstand und damit für die Lichtbogenbrenndauer gegeben, mit der die Materialwanderung ganz unterdrückt oder zumindest stark vermindert werden kann. Die Erfindung macht sich dabei folgende Erkenntnis zunutze:
  Die Materialwanderung ist das Ergebnis von asymmetrischen Verdampfungsprozessen auf den beiden Kontakten, nämlich der Anode und der Kathode. Diese ergeben sich im wesentlichen durch den Abschaltlichtbogen, besonders bei induktiven Belastungen. Entscheidend ist dabei die Brenndauer dieses Abschaltlichtbogens. In gewissen Bereichen der Brenndauer kann sich die Asymmetrie der Verdampfungsprozesse infolge spezieller physikalischer Effekte so ausgleichen, daß im Endeffekt die Materialwanderung annähernd zu Null wird, also keine Spitzen und Löcher auf den Kontaktoberflächen entstehen. Ein solches relativ ebenes Oberflächenprofil der Kontakte verringert die Verhakungsgefahr entscheidend, steigert die Lebensdauer und erhöht die Schaltzuverlässigkeit der Kontakte.
• Da die Brenndauer des Abschaltlichtbogens im wesentlichen durch die Zeitkonstante, also durch die Abschaltinduktivität 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 erfindungsgemäß definierte Brenndauer einnimmt.
• Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
• Figur 1 ein einfaches Schaltbild eines Schaltkreises mit induktiver Last und
• Figur 2 eine Diagrammdarstellung für den erfindungsgemäß vorgegebenen Bereich der Zeitkonstante für den Abschaltlichtbogen in Abhängigkeit vom Abschaltstrom.
• Figur 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Lastkreises 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 Gleichstrommotor, wie er etwa in Automobilen zum Antrieb verschiedener Funktionseinheiten dient.
• Figur 2 zeigt in logarithmischem Maßstab über dem Abschaltstrom i aufgetragen die Zeitkonstante T als Verhältnis von Induktivität L und ohmschen Widerstand R, welche die Lichtbogenbrenndauer bestimmt. Dabei sind die erfindungsgemäß 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 Bandbreite, 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 Grenze des Bereiches liegen sollte. Die genauen Werte für eine optimale Ausschaltung der Materialwanderung kann im Einzelfall für die verwendeten Kontaktmaterialien durch einfache Versuche ermittelt werden.
• Bei Kombinationen von Abschaltströmen und Lichtbogen-Brenndauern, die in Figur 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 Schaltlichtbögen im Bereich TB2 sollte 10 ms nicht überschreiten, da bei Schaltgeräten der üblichen Konstruktion, also bei Relais und Schaltern, oberhalb dieser Brenndauer der Schaltlichtbogen, statistisch gesehen, nicht mehr sicher bei geöffnetem Kontakt erlischt. In diesem Fall besteht die Gefahr, 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 Beschaltung 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 Beschaltungsparametern abhängt. Dieser kann meßtechnisch erfaßt und in die angeführten günstigen Bereiche nach der Erfindung hineinoptimiert werden. Es ist also hierbei nicht nötig, den Schaltlichtbogen zu löschen, was unter Umständen schwieriger und aufwendiger wäre, vielmehr genügt eine Optimierung bezüglich seiner Brenndauer.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung mit einem Schaltkontaktpaar (S) aus Silber und/oder einer Silber-Legierung und mit einer induktiven Last (L, R), die über das Schaltkontaktpaar an eine Gleichspannungsquelle (B) anschaltbar ist,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Brenndauer des Abschaltlichtbogens durch die Zeitkonstante (T) aus dem Verhältnis der Induktivität (L) und des ohmschen Widerstandes (R) im Lastkreis in Abhängigkeit von dem Abschaltstrom (i) nach folgender Beziehung festgelegt ist: $$\text{T |µs| =}\frac{\text{L}}{\text{R}}\text{= (10 ± 5) |}\frac{\text{µs}}{\text{A}}\text{| . i |A|}$$

   

      für 1 A ≤ i ≤ 20 A
      und $$\text{200 |µs| < T |µs| =}\frac{\text{L}}{\text{R}}\text{≤ 10 |ms|}$$

   

      für 20 A ≤ i ≤ 30 A.

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