Kontaktdesign wechseln

Ein Schalter kann mit jedem Mechanismus konstruiert werden, der zwei Leiter kontrolliert miteinander in Kontakt bringt.

Dies kann so einfach sein, dass Sie zwei Kupferdrähte durch die Bewegung eines Hebels berühren oder zwei Metallstreifen direkt in Kontakt bringen.

Ein gutes Schalterdesign muss jedoch robust und zuverlässig sein und die Gefahr eines Stromschlags für den Bediener vermeiden. Daher sind industrielle Schalterdesigns selten so grob.

Die leitfähigen Teile in einem Schalter, die zum Herstellen und Unterbrechen der elektrischen Verbindung verwendet werden, werden als Kontakte bezeichnet .

Kontakte bestehen normalerweise aus Silber oder einer Silber-Cadmium-Legierung, deren leitfähige Eigenschaften durch Oberflächenkorrosion oder Oxidation nicht wesentlich beeinträchtigt werden.

Goldkontakte weisen die beste Korrosionsbeständigkeit auf, haben jedoch eine begrenzte Strombelastbarkeit und können „kalt verschweißen“, wenn sie mit hoher mechanischer Kraft zusammengebracht werden.

Unabhängig von der Wahl des Metalls werden die Schaltkontakte von einem Mechanismus geführt, der einen quadratischen und gleichmäßigen Kontakt für maximale Zuverlässigkeit und minimalen Widerstand gewährleistet.

Begrenzende Faktoren für die Schaltkontaktbelastbarkeit

Kontakte wie diese können so konstruiert werden, dass sie extrem große Strommengen verarbeiten können, in einigen Fällen bis zu Tausenden von Ampere.

Die begrenzenden Faktoren für die Schaltkontaktbelastbarkeit sind wie folgt:

• Erzeugte Wärme durch Strom durch Metallkontakte (im geschlossenen Zustand).
• Funkenbildung beim Öffnen oder Schließen von Kontakten.
• Die Spannung an offenen Schaltkontakten (Potenzial des Stroms, der über die Lücke springt).

Ein wesentlicher Nachteil von Standard-Schaltkontakten ist die Exposition der Kontakte gegenüber der umgebenden Atmosphäre.

In einer schönen, sauberen Kontrollraumumgebung ist dies im Allgemeinen kein Problem. Die meisten industriellen Umgebungen sind jedoch nicht so gutartig.

Das Vorhandensein korrosiver Chemikalien in der Luft kann dazu führen, dass sich die Kontakte verschlechtern und vorzeitig ausfallen.

Noch problematischer ist die Möglichkeit, dass sich bei regelmäßigem Kontakt Funkenbildung entzündlichen oder explosiven Chemikalien entzündet.

Dichtungskontaktschalter

Wenn solche Umweltbedenken bestehen, können andere Kontakttypen für kleine Schalter in Betracht gezogen werden.

Diese anderen Kontakttypen sind gegen den Kontakt mit der Außenluft abgedichtet und leiden daher nicht unter den gleichen Expositionsproblemen wie Standardkontakte.

Quecksilberschalter

Eine übliche Art von Schalter mit abgedichtetem Kontakt ist der Quecksilberschalter. Quecksilber ist ein metallisches Element, das bei Raumtemperatur flüssig ist.

Da es sich um ein Metall handelt, besitzt es ausgezeichnete leitfähige Eigenschaften. Da es sich um eine Flüssigkeit handelt, kann es mit Metallsonden (um einen Kreislauf zu schließen) in einer abgedichteten Kammer in Kontakt gebracht werden, indem einfach die Kammer gekippt wird, sodass sich die Sonden am Boden befinden.

Viele Industrieschalter verwenden kleine quecksilberhaltige Glasröhrchen, die in eine Richtung geneigt sind, um den Kontakt zu schließen, und in eine andere Richtung, um sie zu öffnen.

Abgesehen von den Problemen des Röhrenbruchs und des Verschüttens von Quecksilber (das ein giftiges Material ist) und der Vibrationsanfälligkeit sind diese Geräte eine ausgezeichnete Alternative zu Freiluftschaltkontakten überall dort, wo Umweltbelastungsprobleme zu berücksichtigen sind.

Hier ist ein Quecksilberschalter (oft als Neigung bezeichnet) Schalter) wird in geöffneter Position angezeigt, in der das Quecksilber keinen Kontakt mit den beiden Metallkontakten am anderen Ende des Glaskolbens hat:

Hier ist der gleiche Schalter in geschlossener Position dargestellt. Die Schwerkraft hält jetzt das flüssige Quecksilber in Kontakt mit den beiden Metallkontakten und sorgt so für eine elektrische Kontinuität von einem zum anderen:

Quecksilberschalterkontakte lassen sich in großen Abmessungen nicht herstellen, und daher finden Sie solche Kontakte normalerweise mit einer Nennleistung von nicht mehr als ein paar Ampere und nicht mehr als 120 Volt.

Es gibt natürlich Ausnahmen, aber das sind übliche Grenzen.

Magnetischer Reed-Schalter

Ein anderer Schaltertyp mit abgedichtetem Kontakt ist der magnetische Reedschalter. Wie beim Quecksilberschalter befinden sich die Kontakte eines Reedschalters in einem abgedichteten Rohr.

Im Gegensatz zum Quecksilberschalter, der flüssiges Metall als Kontaktmedium verwendet, besteht der Reedschalter lediglich aus einem Paar sehr dünner, magnetischer Metallstreifen (daher der Name „Reed“), die durch Anlegen eines starken Magnetfeldes miteinander in Kontakt gebracht werden außerhalb des versiegelten Röhrchens.

Die Quelle des Magnetfelds bei dieser Art von Schaltern ist in der Regel ein Permanentmagnet, der durch den Betätigungsmechanismus näher an das Rohr oder von ihm weg bewegt wird. Aufgrund der geringen Größe der Reeds ist dieser Kontakttyp normalerweise für niedrigere Ströme und Spannungen ausgelegt als der durchschnittliche Quecksilberschalter.

Reed-Schalter vertragen Vibrationen jedoch normalerweise besser als Quecksilberkontakte, da sich keine Flüssigkeit im Rohr befindet, die herumspritzen könnte.

„Snubber“-Schaltung

Es ist üblich, dass die Kontaktspannungen und -ströme von Allzweckschaltern bei jedem gegebenen Schalter oder Relais höher sind, wenn die elektrische Leistung, die geschaltet wird, Wechselstrom statt Gleichstrom ist. Grund dafür ist die selbstverlöschende Tendenz eines Wechselstromlichtbogens über einem Luftspalt.

Da der 60-Hz-Netzstrom tatsächlich 120 Mal pro Sekunde stoppt und die Richtung umkehrt, gibt es viele Möglichkeiten für die ionisierte Luft eines Lichtbogens, genug Temperatur zu verlieren, um die Stromleitung zu stoppen, bis der Lichtbogen bei der nächsten Spannungsspitze nicht wieder startet .

Gleichstrom hingegen ist ein kontinuierlicher, ununterbrochener Elektronenfluss, der dazu neigt, einen Lichtbogen über einen Luftspalt viel besser aufrechtzuerhalten.

Schaltkontakte jeglicher Art erleiden daher beim Schalten eines bestimmten Gleichstromwerts einen höheren Verschleiß als bei einem gleichen Wechselstromwert.

Das Problem des Schaltens von Gleichstrom wird übertrieben, wenn die Last eine erhebliche Induktivität aufweist, da beim Öffnen des Stromkreises sehr hohe Spannungen an den Kontakten des Schalters erzeugt werden (die Induktivität tut ihr Bestes, um den Strom im Stromkreis auf der gleichen Größe wie beim Öffnen zu halten) der Schalter wurde geschlossen).

Sowohl bei Wechselstrom als auch bei Gleichstrom kann die Kontaktlichtbogenbildung durch das Hinzufügen einer "Snubber"-Schaltung (ein Kondensator und ein Widerstand in Reihe geschaltet) parallel zum Kontakt minimiert werden, wie folgt:

Ein plötzlicher Spannungsanstieg am Schaltkontakt, der durch das Öffnen des Kontakts verursacht wird, wird durch den Ladevorgang des Kondensators gemildert (der Kondensator widersetzt sich dem Spannungsanstieg, indem er Strom zieht).

Der Widerstand begrenzt die Strommenge, die der Kondensator durch den Kontakt entlädt, wenn er wieder schließt. Wenn der Widerstand nicht vorhanden wäre, könnte der Kondensator die Lichtbogenbildung beim Schließen des Kontakts sogar noch schlimmer machen als die Lichtbogenbildung beim Öffnen ohne Kondensator!

Diese Ergänzung der Schaltung trägt zwar dazu bei, Kontaktlichtbögen zu mindern, ist jedoch nicht ohne Nachteil:Eine Hauptüberlegung ist die Möglichkeit einer ausgefallenen (kurzgeschlossenen) Kondensator/Widerstands-Kombination, die jederzeit einen Weg für Elektronen durch die Schaltung bietet, selbst wenn die Kontakt ist offen und Strom ist nicht erwünscht.

Das Risiko dieses Ausfalls und die Schwere der daraus resultierenden Folgen müssen gegen den erhöhten Kontaktverschleiß (und den unvermeidlichen Kontaktausfall) ohne die Überspannungsschutzschaltung berücksichtigt werden.

Der Einsatz von Snubbern in DC-Schaltkreisen ist nichts Neues:Automobilhersteller tun dies seit Jahren bei Motorzündsystemen und minimieren die Lichtbogenbildung an den Schaltkontakt-„Punkten“ im Verteiler mit einem kleinen Kondensator namens Kondensator .

Wie Ihnen jeder Mechaniker sagen kann, hängt die Lebensdauer der „Punkte“ des Verteilers direkt davon ab, wie gut der Kondensator funktioniert.

Benetzungsstrom

Bei all dieser Diskussion über die Reduzierung von Schaltkontaktlichtbögen könnte man meinen, dass weniger Strom für einen mechanischen Schalter immer besser ist.

Dies ist jedoch nicht unbedingt so. Es hat sich herausgestellt, dass ein geringer periodischer Lichtbogen tatsächlich gut für die Schaltkontakte sein kann, da er die Kontaktflächen frei von Schmutz und Korrosion hält.

Wird ein mechanischer Schaltkontakt mit zu wenig Strom betrieben, neigen die Kontakte zu einem zu hohen Widerstand und können vorzeitig ausfallen!

Diese minimale Menge an elektrischem Strom, die erforderlich ist, um einen mechanischen Schaltkontakt gesund zu halten, wird als Benetzungsstrom bezeichnet .

Normalerweise liegt der Benetzungsstrom eines Schalters weit unter seinem maximalen Nennstrom und deutlich unter seiner normalen Betriebsstrombelastung in einem richtig ausgelegten System.

Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen ein mechanischer Schaltkontakt erforderlich sein kann, um routinemäßig Ströme unterhalb der normalen Benetzungsstromgrenzen zu verarbeiten (z ).

Bei diesen Anwendungen wird dringend empfohlen, vergoldete Schaltkontakte zu verwenden. Gold ist ein „edles“ Metall und korrodiert nicht wie andere Metalle.

Dadurch haben solche Kontakte einen äußerst geringen Benetzungsstrombedarf. Normale Silber- oder Kupferlegierungskontakte bieten keinen zuverlässigen Betrieb, wenn sie in einem solchen Niedrigstrombetrieb verwendet werden!

RÜCKBLICK:

• Die Teile eines Schalters, die für das Herstellen und Unterbrechen des elektrischen Durchgangs verantwortlich sind, werden als „Kontakte“ bezeichnet. Normalerweise aus korrosionsbeständiger Metalllegierung hergestellt, berühren sich die Kontakte durch einen Mechanismus, der dabei hilft, die richtige Ausrichtung und Abstände beizubehalten.
• Quecksilberschalter verwenden ein flüssiges Quecksilbermetall als beweglichen Kontakt. Eingekapselt in ein Glasrohr ist der Funke des Quecksilberkontakts von der Außenumgebung abgedichtet, wodurch dieser Schaltertyp ideal für Atmosphären geeignet ist, in denen explosionsfähige Dämpfe enthalten sind.
• Reed-Schalter sind eine andere Art von abgedichteten Kontaktgeräten, bei denen der Kontakt durch zwei dünne Metall-„Reeds“ in einem Glasrohr hergestellt wird, die durch den Einfluss eines externen Magnetfelds zusammengeführt werden.
• Schaltkontakte erleiden einen größeren Zwang beim Schalten von Gleichstrom als Wechselstrom. Dies liegt hauptsächlich an der selbstverlöschenden Natur eines AC-Lichtbogens.
• Ein Widerstands-Kondensator-Netzwerk namens „Snubber“ kann parallel zu einem Schaltkontakt geschaltet werden, um Kontaktlichtbögen zu reduzieren.
• Benetzungsstrom ist die Mindeststrommenge, die ein Schaltkontakt führen muss, damit er selbstreinigend ist. Normalerweise liegt dieser Wert weit unter dem maximalen Nennstrom des Schalters.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Wechsel-Arbeitsblatt