Table Of ContentElektrische Kontakte
und Schaltvorgange
Grundlagen fur den Praktiker
Von
Dr. Walther Burstyn
vorm. a. o. Professor an der Technischen Hochschule
in Berlin-Chariottenhurg
Vierte
verbesserte und erweiterte Auflage
Mit 92 Abbildungen
Springer-Ver lag
Berlin / Gottingen / Heidelberg
1956
ISBN-13:978-3-540-01999-2 e-ISBN-13:978-3-642-92668-6
DOl: 10.1007/978-3-642-92668-6
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© by Springer-Verlag OHG. in Berlin / G6ttingen / Heidelberg 1956
Vorwort zur vierten Auflage
Gleich der dritten Aufla,ge ist a,uch die vierte a,n einigen Stellen erganzt
und erwei tert worden, vor a,llem d urch Einb eziehu ng der Ergebnisse einiger
neuerer Arbeiten a,uf den Gebieten der Verbundwerkstoffe, der Korrosion
und der Dberga,ngswiderstande. Bisher ka,um bea,chtet worden ist die
elektrosta,tische Anziehuug, die zwischen Konta,kten bei sehr kleinen
Abstanden a,uftritt und iiberra,schend groBe Werte erreichen kann; sie
erklart u. a. die "kalte Punktentladung".
Die Technik beniitzt in immer hoherem MaBe Relais und Schalter, und
so ist auch das Bediirfnis der Konstrukteure und Techniker gestiegen,
iiber die Leistungen und Eigenschaften der Kontakte Bescheid zu wissen,
urn sie richtig anwenden zu konnen und Fehlgriffe zu vermeiden. Ins
besondere diesem Zwecke solI, wie die bisherigen, auch die vorliegende
vierte Auflage dienen.
Berlin, Juni 1956 W.Burstyn
Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Buch befaBt sich nicht mit jenen Schaltern, die die
Stromunterbrechung durch Verlangerung oder Ausblasen des Licht
bogens bewirken und fUr hohe Spannungen und Strome bestimmt sind,
sondern mit solchen, die nur einen kleinen Hub auszufiihren brauchen,
wie die meisten Relais. Dennoch handelt es sich dabei nicht nur urn sog.
Schwachstrom.
Merkwiirdigerweise sind die physikalischen Grundlagen fUr solche
Schalter wenig bekannt lrod in keinem Lehrbuche Zll finden, obwohl sie
zu den elementarsten Dingen der Elektrotechnik gehoren. Zum Beispiel
zeigt es sich, daB sehr viele Ingenieure auf die Frage, welche Luftstrecke
220 V zu durchschlagen vermogen, nicht die richtige Antwort zu geben
wissen.
Das Buch will diese Grundlagen sowie die sich dara,us ergebenden
praktischen Folgerungen zusammenfassend beschreiben, zum groBen
Teil gestiitzt auf eigene Arbeiten. Es erhebt keinen Anspruch auf
wissenschaftliche Hohe oder erschopfende Beharidlung des Stoffes.
Ma,thematik ist fast ganz vermieden; wo sie vorkommt, kann dariiber
hinweggelesen werden, so daB sich auch der ungeschulte Praktiker des
Buches bedienen kann.
Berlin-Wilmersdorf, im Juli 1937 W. Burstyn
Inhaltsverzeichnis
Seite
Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Bezeichnungen ................................................... 1
2. Einleitung ....................................................... 1
3. Arbeitsweise und Formen del' Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2
4. Kontaktstoffe .................................................... 3
a) Elementare Kontaktstoffe ....................................... 3
b) Legierungen. . . . . . . . . . . . . . . . .. ................................. 5
e) Verbundstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6
5. Kondensatoren ... ....... ......... .......... .. ........•........... 9
a) Papierkondensatoren ........................................... 9
b) Glimmerkondensatoren ......................................... 10
c) TrolitulkondenEatoren .......................................... 11
d) ElektrolytkondeIlEatoren ........................................ 11
6. Ohmkreise ....................................................... 11
7. Veranderliche Widerstiinde ........................................ 11
8. Elektromagnete ............................ ;..................... 12
9. Hochfrequenzspulen .............................................. 13
10. Schwingungskreise ................................................ 13
11. Gleichwertige Schaltvorgiinge ...................................... 13
Das AU88chalten von Gleichstrom ....... , ................................. 16
A. Ohmkreis ........................................................ 16
1. Der Grenzstrom iu .............................. " ............ 16
2. Die Lichtbogenmindestspannung Vb ............................. 20
3. Der Lichtbogen ................................................ 22
4. Das Glimmlicht und seine Mindestspannung Vg ................... 25
5. Die "Oberschlagspannung ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
6. Die drei Spannungsbereiche ..................................... 29
7. Die Liischung des Unterbrechungsfunkens ........................ 29
a) Aufgabe .................................................... 29
b) Widerstand mit Vorschaltkondensator parallel zum Schalter ....... 30
c) Schwingungskreis parallel zum Schalter ......................... 31
B. Induktiver Kreis ................................................. 34
1. Das Ausschalten einer Selbstinduktion ........................... 34
2. Die Liischung des Selbstinduktionsfunkens durch Diimpfung ........ 37
a) Widerstand parallel zur Selbstinduktion ........................ 37
b) Induktive Diimpfung der Selbstinduktion ...................... 39
c) Widerstand parallel zum Schalter ............................. 39
d) Widerstand mit Vorschaltkondensator parallel zum Schalter ..... ,. 40
e) Dampfung durch Entladestrecken ............................. 42
f) Diimpfung durch Gleichrichter ................................ 42
v
Inhaltsverzeichnis
3. Die Loschung des Selbstinduktionsfunkens dureh einen Kondensator 43
a) Kondensator parallel zur Selbstinduktion ....................... 43
b) Schwingungskreis parallel znm Schalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
4. Das Ausschalten eines Fernsprechrelais ........................... 46
C. Besondere Loschschaltungen fiir Gleichstrom ........................ 47
Das A U8schalten von Wechselstrom ....................................... 50
A. Ohmkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
1. Scheitelspannung Uk unter del' Lichtbogenmindestspannung Ub ...... 50
2. Scheitelspannung Uk unter der Glimmlichtspannung Uu .......••..• 50
a) Die Unterbrechung findet beim Nullwert statt ....... " ......... 50
b) Die Unterbrechung findet nicht beim Nullwert statt ............ 50
3. Scheitelspannung Uk iiber del' Glimmlichtspannung Ug ••••••••••••• 52
a) Strom unter del' Grenzstromstii..rke .................... , ....... 52
b) Strom iiber del' Grenzstromstiirke ............................ 52
B. Induktiver Kreis ................................................. 53
C. Kapazitiver Kreis .........................................." . ..... 55
Das Einschalten von Btromkreisen ....................••..•...••......... 55
A. Vorbemerkung ................................ . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
B. Das Einschalten von Gleiehstrom ................................... 5.5
1. Ohmkreis ..................................................... .55
2. Induktiver Kreis ;............................................. 56
3. Kapazitiver Kreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
4. Schwingungskreis ............................" . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
5. Entladen eines Kondensators .................................... 57
6. Kippschwingungen ............................................. 58
C. Das Einschalten von "Techselstrom ... " " ... , ............. '" ...... 59
1. Ohmkreis ..................................................... 59
2. Induktiver Kreis, Uk < UII ...................................... 59
3. Induktiver Kreis, Un> Ug ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 60
4. KapazitiverKreis, Uh < UII ................................... 61
5. Kapazitiver Kreis, Uk> Uu .....•.....•...........•............ 61
6. Schwingungskreis .............................................. 61
Vbe'rgangswiderstande ............ " .................................... 61
A. Allgemeines .................................................... " 61
B. Beriihrungsflachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62
C. Del' Engewidcrstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
D. Entfestigungs. und Schmelzspannung ............................... 63
E. Diinne und dicke Deckschichten ................................... 64
F. Stromdurchgang durch diinne Deekschichten ...............•........ 66
G. Reibung und Schmieren .......................................... 68
H. Das Fritten und del' Stromdurchgang durch dicke Deckschichten von
30 bis 3000 A .................................................... 69
J. Geklemmte Schienen. und Drii..hte .................................. 73
K. Grobe Ubergangswiderstande ...................................... 74
L. Schleifkontakte .................................................. 76
M. Kornerkontakte ................................................. 78
N. Elektrostatische Erscheinungen .................................... 78
O. Die kalte Punktentladung ......................................... 79
VI Inhalt.sverzeichnis
Son8tige storende Er8cheinungen ........................................ 80
A. Das Prellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
B. Das Schweben .................................. :............... 81
C. Das SchweiLlen ................................................. 81
D. Die elektrostatische Selbstunterbrechung ............ " .. . . . . .. .. . .. 82
Pilege der Kontakte .................................................. 83
Die Erwiirmung von Schaltern ......................................... 84
Die Abnutzung von Druckkontakten bei Gleich8trom ........................ 86
A. V'bersicht ...................................................... 86
B. Untersuchungen von W. KRUGER ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87
1. Ausschalten eines Ohmkreises .................................. 87
2. Ausschalten eines induktiven Kreises ............................ 89
3. Entladen eines Kondensators ................................... 89
4. Ausschalten eines induktiven Kreises mit cR-Loschkreis .......... 90
C. Untersuchungen von R. HOLM • . . • . • . • • . • . • • • . • • . • . . • • . . • • • • . • . . •. 91
1. Ausschalten eines Ohmkreises .................................. 92
2. Ausschalten eines induktiven Kreises ............................ 94
3. Entladen eines Kondensators .................................... 94
4. Einschalten eines Ohmkreises .................................. 95
5. Ausschalten eines Ohmkreises mit cR-Loschkreis ................. 95
6. Ausschalten eines Ohmkreises mit cL-Loschkreis ... ......... ...... 95
7. Ausschalten eines induktiven Kreises mit cR-oder cL-Loschkreis '" 95
D. Erorterung der Ergebnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
1. Ausschalten eines Ohmkreises ......................... :........ 96
2. Ausschalten eines induktiven Kreises ............................ 96
3. Entladen eines Kondensators tiber einen Widerstand . . . . . . . . . . . . . .. 96
4. Entladen eines Kondensators tiber eine Selbstinduktion ... . . . . . . . .. 97
5. Einschalten eines Ohmkreises .................................. 97
6. Ausschalten eines Ohmkreises mit cR-Loschkreis ................. 97
7. Ausschalten eines Ohmkreises mit cL-Loschkreis ......... ......... 98
8. Ausschalten eines induktiven Kreises mit cR-Loschkreis ........ .. 98
9. Ausschalten eines induktiven Kreises mit cL-Loschkreis ........... 99
E. Neuere Untersuchungen ...•...................................... 99
Die Abnutzung von Druckkontakten bei WechselBtrom '. ..................... 100
Die Abnutzung von Schleilkontakten .....••.•........................... 101
Besonderer Schalter ................................................... 102
A. Vakuumschalter ............................................... 102
B. Schalter in Gasen und Fltissigkeiten ............................... 104
C. Quecksilberschalter ..................................•........... 105
Litaaturverzeichnis .................................................. 107
Sachverzeichnis .............................................. " ....... 109
Allgemeines
1. Bezeichnungen
A = Arbeit (Wattsekunde, Joule). e =spez. Widerstand (!Lcm).
A = Angstrom 10-10 m). R = Widerstand (Q).
Ag = Silber. Re = Vorsehaltwiderstand eines Kon.
Al = Aluminium. densators (Q).
Au = Gold. Rd = dampfender Widerstand (Q).
a = Abstand (em). Rs = Widerstand einer Selbstinduktion
a = Kapazitat(Farad). Sehaltstoff = Kontaktmaterial. [(Q).
eu = Kupfer. Schaltstiick = Kontaktstiiek,Kontakt.
d = Drahtdurehmesser (em). T, t = Zeit, Periode (Sekunden).
b = logar. Dekrement. U, u = Spannung (Volt).
j = Frequenz = liT. Ub = Mindestspannung am Lichtbogen.
I, i = Strom (Ampere). Ug = Mindestspannung am Glimmlicht.
iu = Grenzstrom bei del' Spaunung U. Uh = Scheitelspannung eines 'Yechsel·
L = Selbstinduktion (Henry). stromes.
p = 10-6 m = 10-4 A Uu = Spannung am Schalter.
Ni = Nickel. V = Wicklungsvolumen (ema).
Pd = Palladium. W = Warmemenge (geal).
Pt = Platin. W = Watt.
r = Halbmesser einer Spule (em). W = Wolfram.
2. Einleitung
Ein groBer Vorteil del' Elektrizitat gegeniiber anderen Energieformen
besteht darin, daB sIe es gestattet, kleine und groBe Leistungen mit
einem verhaltnismaBig viel geringeren Kraftaufwande zu steuern, als es
mechanisch odeI" nydraulisch 'lliog1ich ist. Das Mittel dazu ist del'
Schalter, und dieser heruht auf dem ele~t.rischen Kontakte.
Kontakte sind in allen elektrischen Geraten vorhanden. Klemmen,
Schalter, Relais, Schiitze, Schleifringe und Kollektoren sind durch Kon.
takt wirksam. An den Kontaktstellen treten physikalische und chemi.
sche Erscheinungen mannigfacher Art au,{, die bei Nichtbeachtung zu
erheblichen Storungen fiihren konnen.
Di.e wichtigsten Anforderungen an einen Kontakt sind: Einwandfreies
SchlieBen und Offnen eines Stromkreises und fiir die Dauer des SchlieBens
ein moglichst kleiner Dbergangs»i.derst.and, der sich auch fiir eine ge
wisse Schaltzahl und Zeit.dauer (z. B. 5 bis 20 Jahre) nicht merkbar
andern solI. Bei elektrisch hochbelasteten Kontakten miissen Material.
verlust durch Abbrand und Mat.erialwanderung so klein sein, daB fiir
2 Allgemeines
eine geforderte Schaltzahl ein einwandfreies Schalten gesichert ist. Bei
Relais mit genauen SchaItzeiten sollen die~e innerhalb der vorgeschrie
benen Grenzen bleiben.
These Leistungen und die Auswahl eines Kontaktstoffes sind abhangig
von seinen Eigenschaften und den Bedingungen, unter denen er arbeitet.
Es sind dies insbesondere folgende:
Physikalische Eigenschaften: Elektrische und thermische Leitfahigkeit,
Schmelztemperatur und -warme, Schmelzspannung, Verdampfungs
temperatur (Siedepunkt) und Verdampfungswarme, Temperaturkoeffi
zient des elektrischen Widerstandes, Elektronenaustrittsarbeit.
Ghemische Eigenschaften: Bestandigkeit gegen Korrosion lmd gegen
die Bildung von Deckschichten durch Sauerstoff und Schwefel.
Technologische Eigenschaften: Gefiige (homogen, Mischkristalle, ge
sintert), Harte mit und ohne Oberflachenverdichtung, Zugfestigkeit,
Dehnung, Streckgrenze, Elastizitatsmodul, Warmefestigkeit, Viskositat,
Verschlei£festigkeit, Bearbeitbarkeit.
Elektrische Bedingungen: Schaltspannung und -strom, Gleich- oder
We chselstrom , Belastungsart (ohmisch, induktiv, kapazitiv), mit oder
ohne Lichtbogenloschung.
Mechanische Bedingungen: Bei Abhebekontakten Abmessungen und
Form der Kontaktstiicke, Kontaktdruck und Schaltgeschwindigkeit
beim Offnen und SchlieBen, Schaltfrequenz, Flachenreibung oder nicht.
Bei Schleifkon~akten Druck und Geschwindigkeit.
Preis: Die Wahl eines Kon taktstoffes ist nicht zum mindesten von
seinem Preise abhangig, der allerdings schwankt. Die nachstehenden
Angaben je Gramm gaIten im Herbst 1954:
Silber Palladium Gold Platin Iridium Rhodium
0,12 3,60 5,10 13 15 18 DM
3. Arbeitsweise nod Formen 4.er KoJJtakte
Nach ihrer Arbeitsweise lassen sich die Kontakte einteilen in
Abhebekontakte, Steckkonta.kte und
Schleifkontakte, Klemmkontakte.
Abhebekontakte oder DruckschaIter nach Art eines Morsetasters werden
in» uden meisten Schaltgeraten, insbesondere in Relais, verwendet. Die
Schaltstiicke sind meist rund mit flacher oder schwach-
konvexer Beriihrungsflache (Bild I) und haben einen Durch-
messer von wenigen Millimetern. Fiir Versuchszwecke,
~. namentlich solche mit verschiedenen Schaltstoffen, gibt man
den Scha,ltstiicken zweckmaBig die Form runder Stifte von,
BUd 1.
Kontakt 4 bis 5 mm Durchmesser und etwa 20 mm Lange. Einerder-
Kontaktstoffe 3
selben wird fest eingespannt, der andere mit einer geeigneten Handhabe
versehen oder in einen Schalthebel eingesetzt. Proben edler Metalle lotet
man auf das Ende eines Stiftes auf.
Bei Versuchen mit uber etwa 5 A erhalt der Schalter besser eine Bau
art ahnlich wie nach Bild 54.
Oft werden auch gekreuzte Drahte (Drahtstifte, sog. Kreuzkontakte)
angewandt. Sie verhalten sich ahnlich wie zwei Kugeln yom doppelten
Durchmesser der Drahte und ergeben bei Verformung durch Druck an
genahert dieselbe kreisformige Beruhrungsstelle.
Elektrische und thermische Leitfahigkeit spielen besonders bei mit
starken Stromen belasteten Kontakten eine bedeutende Rolle. - Je
nach ihrer Bauart und Anwendung konnen Abhebekontakte mit Schalt
frequenzen bis zu 1000 Hz und Schaltzahlen bis zu 2.109 beansprucht
werden.
Steckkontakte sind Verbindungsstecker, Steckerleisten u. dgl. mit den
zugehorigen Fassungen. Der bewegliche Teil ist aIs runder Stift oder
messerartig geformt; einer der beiden TeiIe federt und bewirkt den
kraftigen Reibungsdruck. Die Schalthaufigkeit ist sehr gering.
Klemm- und Schraubkontakte haben groBe Beriihrungsflachen, werden
mit starkem Druck gegeneinander gepreBt und nur selten, niemaIs unter
Strom, geschlossen und geoffnet.
Schleifkontakte sind solche mit mindestens einem schleifenden Kon
taktstuck, wie Schleifringe, Kollektoren llnd Drehschalter.
4. Kontaktstoffe
Die Kontaktwerkstoffe lassen sich in drei Gruppen einteilen: Elemente,
Legierungen und Sinter- oder Verbundwerkstoffe. Legierungen sind
Mischungen von Metallen, die sich in geschmolzenem Zustande vollig in
einander losen und beim Erkalten homogene Mischkristalle bilden. 1hr
Schmelzpunkt liegt niedriger, ihre Harte hoher, aIs die Zusammen
setzung erwarten lieBe. Selten werden Legierungen benutzt, die sich beim
Erkalten und Kristallisieren wieder sondern. - Verbundstoffe bestehen
aus Metallen, die sich nicht miteinander legieren. Sie werden durch
Sinterung (oder, wie man auch sagt, pulvermetallurgisch) hergestellt, in
dem feinste Pulver der (zwei oder mehr) Bestl;tndteiIe miteinander ge
mischt und bei einer unter dem Schmelzpunkte eines oder alIer Bestand
teiIe liegenden Temperatur und unter hohem Druck in einem geeigneten
Schutzgase langere Zeit zusammengepreBt werden, wodurch sie sich
voIlkommen fest zusammenbacken.
a) Elementare Kontaktstoffe. Kupfer hat bei reiner Oberflache gute
Schalteigenschaften, biIdet aber leicht eine braune bis schwarze, isolie
rende Oxydschicht und ist dann fur niedrige Spannungen ungeeignet.
Burstyn, Elektr. Kontakte, 4. Auf!. 1
4 Allgemeines
Nur bei hoheren Spa,nnungen, die diese Schicht zu durchbrechen ver
m6gen, oder wenn sie durch einen kraftigen Schalter immer wieder zer
klopft wird, ist Kupfer fUr kurze selbstloschende Lichtbogen bei geringen
Anforderungen an die Kontaktgute brauchbar, wird aber immer mehr
durch Silber und Silberlegierungen verdrangt.
Silbe1· ist der am meisten verwendete Kontaktstoff der Elektro
technik. Kein anderes Metall hat eine so hohe thermische und elektrische
Leitfahigkeit wie Silber. Unter norma,len Bedingungen und allch im
Lichtbogen oxydiert es nicht, doch bildet es in schwefelhaltiger Luft
gelbe bis schwarze Anlaufschichten aus SilbersuIfid, deren Widerstand
bei kleinen Kontaktkraften (unter 50 g) st6rt. Silber ist sehr duktil und
wird in Form von Nieten, Formstucken, aufgelOteten Plattchen, plat
tiertem Material lmd galvanischen Dberzugen verwendet. Es besitzt
eine fUr die meisten Zwecke ausreichende Abbra,ndfestigkeit, neigt aber
zUlli VerschweiBen und bei Gleichstrom etwas zur Ma,teria,lwa,nderung.
Fur sehr zarte Scha,lter, die kleinen Dbergangswidersta,nd haben sollen,
ist Silber nicht geeignet. Bei genugender Schaltkraft hat Silber den
weitesten Anwendungsbereich aller Metalle bis hinauf zu Str6men von
mehreren 1000 A.
Gold ist das edelste aller Metalle. Es bildet keinerlei Deckschichten,
ist aber sehr weich und neigt stark zum VerschweiBen und Kleben, sowie
bei Gleichstrom zur Materialwanderung. Es laBt sich gut galvanisch auf
bringen und wird rein nur so verwendet, sonst in Form von Legierungen.
Platin ist ziemlich weich, gut verformbar und plattierbar und bildet
unter keinen Umstanden eine isolierende Deckschicht. Sein hoher
Sclllue1zpunkt ergibt eine gute Abbrandfestigkeit. Dank dieser und
seiner hinreichenden Leitfahigkeit ist es von besonderer Bedeutung fUr
Kontakte, von denen· ein konstanter niedriger Dbergangswiderstand
verlangt wird. Bei Gleichstrom neigt es ein wenig zur Materialwanderung
und Spitzenbildung. Es wird in der Schwachstromtechnik angewandt,
wenn hochste Kontaktsicherheit verlangt ist, meist in Form von Legie
rungen.
Palladium hat von allen Metallen der Platingnlppe die geringste
Korrosionsfestigkeit, indem es in Luft oberhalb von 3500 eine Oxydhaut
biIdet, die sich indes uber 9000 wieder zersetzt. Palladium neigt weniger
zum SchweiBen als Platip., hat aber eine etwas geringere Abbrandfestig
keit. Gegen Schwefel ist es unempfindlich. Dank seinem viel niedrigeren
Preise und rund halb so hoher Dichte kommt es wesentlich billiger als
Platin und ersetzt in der Schwachstromtechnik vorteilhaft sowohl dieses
als das schwefelempfindliche Silber. Unter allen Edelmetallen genugt
von Palladium der geringste Zusatz (30%), um Silber schwefelfest zu.
machen. Das reine Metall sowohl wie seine Legierungen werden daher
fUr Relais u. dgl. immer mehr verwendet.
