Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen: Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren

700 Pages·2002·55.24 MB·German

by  Dr. techn. Eduard Vinaricky (auth.)

E. Vinaricky (Hrsg.)
unter Mitarbeit von K.-H. Schroder und J. Weiser
Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
ONLINE LlBRARY
Engineering
http://www.springer.de/engine-de/
E. Vinaricky (Hrsg.)
Elektrische Kontakte, Werkstoffe
und Anwendungen
Grundlagen, Technologien, Prufverfahren
unter Mitarbeit von K.-H. Schroder und J. Weiser
begrundet von A. Keil, W. A. Merl und E. Vinaricky
Mit 529 Abbildungen
Springer
Or. techn. Eduard Vinaricky
AMI DODUCO GmbH
Im Altgefăll12, 75181 Pforzheim
Prof. Or.-Ing. Karl-Heinz Schroder
Parkstr. 1,63589 Linsengericht-Waldrode
Fruher Fachhochschule Gelsenkirchen und Degussa AG, Hanau
Or. rer. nat. JosefWeiser
Benediktstr. 11,82069 Hohenschăftlarn
Friiher Siemens AG, Munchen
ISBN 978-3-642-62698-2
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Elektrische Kontakte. Werkstoffe und Anwendungen : Grundlagen. Technologien. Priifverfahren / Hrsg. : Eduard
Vinaricky. unter Mitarb. von K. -H. Schroder ; J. Weiser. - 2 .•v ollst. neubearb. Aufl. -Berlin; Heidelberg ; New York;
Barcelona ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris; Tokio : Springer. 2002
Friiher u. d. 1. : Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe
ISBN 978-3-642-62698-2 ISBN 978-3-642-56237-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-56237-2
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1984 and 2002
Ursprilnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York in 2002
Softcover reprint of the hardcover 2nd edition 2002
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Aktualităt iibernehmen. Es empfiehlt sich. gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die volistăndigen Vorschriften
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Einbandgestaltung und Satz: medio Technologies AG. Berlin
Gedruckt auf săurefreiem Papier SPIN: 10848426 62/3020/M - 5 4 3 2 1O
Mitarbeiterverzeichnis
Bahrs, Willy, Dipl.-Ing.,frtiher Ringsdorff-Werke GmbH, Bonn
Baumeister, Rudolf, Dipl.-lng, Moeller GmbH, Bonn
Behrens, Volker, Dr. rer. nat., AMI DODUCO GmbH, Pforzheim
Berger, Frank, Dr.-Ing., Moeller GmbH, Bonn
Bolz, Jacob, Moeller GmbH, Bonn
GroSmann, Hermann, Dr. rer. nat., frtiher DODUCO KG, Pforzheim
Heinzel, Helmut, Dipl.-Ing., AMI DODUCO, Pforzheim
Horn, Jochen, Dr. rer. nat., Tyco Electronics AMP GmbH, Bensheim
Huck, Manfred, Dipl.-Phys., AMI DODUCO GmbH, Pforzheim
Imm, Reinhard, Dr. rer. nat., frtiher DODUCO KG, Pforzheim
Kaspar, Franz, Dr. rer. nat., AMI DODUCO GmbH, Pforzheim
Kriechel, Ralf, Dipl.-Ing., Moeller GmbH, Bonn
Lindmayer, Manfred, Prof. Dr.-Ing., Technische Universitat Braunschweig
Linnemann, Hartmut, Dipl.-Ing., Miele,Cie. GmbH & Co. Gtitersloh
Moller, Wolfgang, Dipl.-Ing., Marquardt GmbH, Rietheim-Weilheim
Popa, Heinz-Erich, Dr.-lng, ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, Heidelberg
Rieder, Werner, Prof. Dr. phil., Technische Universitat Wien/ A
Saeger, Karl E., Dr. rer. nat., AMI DODUCO GmbH, Pforzheim
Schneider, Karl-Heinz, Dipl.-Ing., Elektra Tailfingen, Schaitgerate GmbH & Co. KG, Tail
fingen
Schroder, Karl-Heinz, Prof. Dr.-Ing., frtiher Fachhochschule Gelsenkirchen u. Degussa AG,
Hanau
Schrother, Gerhard, Dipl.-Ing., Siemens AG, Amberg
Schuler, Peter, Dr. rer. nat., AMI DODUCO GmbH, Pforzheim
Vinaricky, Eduard, Dr. techn., AMI DODUCO GmbH, Pforzheim
Weiser, Josef, Dr. rer. nat., frtiher Siemens AG, Mtinchen
Wolf, Johann, Dr. techn., Siemens AG, Regensburg
VI Mitarbeiterverzeichnis
Friihere Mitarbeiter, deren Beitrage iiberarbeitet wurden:
Borchert, Lothar, Dr. phil., fruher Siemens AG, Munchen
Gyory, Imre, Prof. Dr. rer. nat., Fachhochschule Hagen
Harmsen, Ulf, Dipl.-Ing., fruher DODUCO KG, Pforzheim
Kaminski, Jan, Dr.-Ing., Deutsches Patentamt Munchen
Keil,Albert, Prof. Dr. phil. nat., fruher TU Karlsruhe und INOVAN, Birkenfeld
Mayer, Ursula, Dr. rer. nat., fruher DODUCO KG, Pforzheim
Merl, Wilhelm, Dipl.-Phys., fruher DODUCO KG, Pforzheim
Meyer, Carl-Ludwig, Dipl.-Phys., fruher DODUCO KG, Pforzheim
Streuli, Max, fruher Gummi-Maag AG,Dubendorf, Schweiz
Vermij, L., Dr., fruher Holec Nederland BV, Utrecht, Holland
Walczuk, Eugeniucz, Prof. Dr.-Ing., TU Lodz, Polen
1m Inhaltsverzeichnis ist angegeben, welche Abschnitte die einzelnen Mitarbeiter verfaBt
haben. Ihre Autorenschaft erstreckt sich jeweils bis zur Nennung des nachsten Namens
Vorwort
Steigende Anforderungen an die Kontakte in Schaltgeraten, die Notwendigkeit zuverlassiger
Schnittstellen zwischen Elektromechanik und Elektronik, der sparsame Einsatz von Edel
metallen und die Forderung nach umweltfreundlichen Kontaktwerkstoffen pragten in den
letzten Jahren maBgebend die Entwicklung von Werkstoffen und Technologien fiir elektri
sche Kontakte. Fiir Entwickler und Konstrukteure, die auf dem Gebiet der elektrischen
Kontakte tatig sind, bot das von A. Keil, W.A. Merl und E. Vinaricky 1984 im Springer-Ver
lag erschienene Buch "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe" eine Moglichkeit, sich in
dieses Spezialgebiet einzuarbeiten. Dieses im deutschen Sprachraum als Standardwerk gel
tende Buch ist leider seit einiger Zeit vergriffen. Von verschiedenen Seiten wurde daher an
den Herausgeber der Wunsch nach einer Neuauflage herangetragen. Der Herausgeber stand
dabei vor der Frage, entweder die vorliegende Ausgabe nur geringfiigig zu iiberarbeiten
oder eine grundlegend neue Fassung zu schaffen. Er entschloB sich dazu, die fachliche Auf
teilung des Buchinhaltes nach den einzelnen Kapiteln, die sich bei der Erstausgabe bewahrt
hatte, sowie die theoretischen Grundlagen weitgehend zu iibernehmen. Die Teile des Inhal
tes, die sich mit der Neu-bzw. Weiterentwicklung von Werkstoffen und Technologien befas
sen, wurden iiberwiegend neu erstellt. Das Kapitel "Anwendungsbeispiele fur elektrische
Kontakte" wurde im Rahmen der Neubearbeitung stark ausgeweitet, was auch mit dem
neuen, erweiterten Buchtitel deutlich wird. Bei der Beschreibung der Geratefunktionen und
der Wirkungsweisen der Kontaktwerkstoffe wurde insbesondere auf die Darstellung der
Wechselbeziehungen zwischen Geratekonstruktion und KontaktwerkstoffWert gelegt. Neu
aufgenommen wurde das Kapitel "Priifverfahren", in dem eine Aussage iiber das zuverlasc
sige Funktionieren elektrischer Kontakte bei der jeweiligen Anwendung gegeben werden
soll. Um den bisherigen Buchrahmen bei der Aufnahme zusatzlicher Kapitel und Abschnitte
nicht zu sprengen, wurden einige Bereiche des bisherigen Inhaltes in gekiirzter Form darge
stellt oder, sofern sie nur Randgebiete behandelten, gestrichen.
Das umfangreiche Stoffvolumen, das sich auf sehr unterschiedliche Fachgebiete er
streckt, kann von einem Verfasser allein nicht tiefgehend genug wiedergegeben werden. Da
her war der Herausgeber sehr froh, in Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Schroder und Dr. rer. nat.
Josef Weiser zwei Fachleute gefunden zu haben, die ihm bereitwillig bei der Herausgabe die
ses Buches unterstiitzten und durch ihre Beitrage dessen Inhalt bereicherten.
Die einzelnen Beitrage geben die Meinung der Autoren iiber das jeweils bearbeitete Fach
gebiet wieder. Damit der Leser den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Abschnit
ten leichter findet und Wiederholungen weitgehend vermieden werden, hat der Herausge
ber die von den verschiedenen Mitarbeitern verfaBten Abschnitte aufeinander abgestimmt.
Allen Verfassern sei an dieser Stelle fiir ihr Verstandnis gedankt.
VIII Vorwort
Der Herausgeber dankt besonders der Geschaftsleitung der Firma AMI DODUCO
GmbH, Pforzheim fur die finanzielle Unterstiitzung bei den umfangreichen Arbeiten fur
dieses Buch und die Moglichkeit, jederzeit auf Einrichtungen in den Laboratorien und ver
schiedene Kommunikationsmittel zuruckgreifen zu konnen. Daneben hat das Unterneh
men bereitwillig seine Spezialisten fur die Ausarbeitung von Beitragen freigestellt.
In gleicher Weise gebuhrt Dank dem Forderverein "Kontakte und Schalter e.V.", der die
ses Projekt ebenfalls finanziell unterstutzt hat. Einige Mitglieder des Fordervereins haben
daruberhinaus durch Fachartikel zum Gelingen des Buches beigetragen.
An dieser Stelle mochte ich nicht versaumen, meiner Frau Siegrun Vinaricky zu danken,
die einen GroBteil der umfangreichen Arbeiten am PC ubernommen und mich bei der re
daktionellen Routinearbeit unterstutzt hat.
SchlieBlich sei noch Frau Petra Jantzen und Herrn Dr. Dietrich Merkle yom Springer
Verlag, Heidelberg und dem Projektteam von der medio Technologies AG, Berlin fur die
gute Zusammenarbeit und die groBe Sorgfalt bei der Planung, Gestaltung und Drucklegung
dieses Buches gedankt.
Pforzheim, im Dezember 2001 Eduard Vinaricky
Die gegebenen Hinweise und Empfehlungen fiir den Einsatz elektrischer Kontakte beru
hen auf Erfahrungswerten. Die dargestellten Ergebnisse der verschiedenen Schaltpriifungen
entbinden niemanden von seiner Sorgfaltspflicht, beim Einsatz oder Wechsel eines Kontakt
werkstoffes in einem Schaltgerat, die nach einschlagigen Vorschriften erforderlichen Prii
fungen durchzufiihren.
Inhaltsverzeichnis
1 Physikalische und chemische Effekte an elektrischen Kontakten . . .
1.1 Ruhender Kontakt (M. Huck u. W. A. Mer!, uberarbeitet von M. Huck)
1.1.1 Definitionen . . . . . . . .
1.1.2 Fremdschichtfreier Kontakt 4
1.1.2.1 Einfuhrung . . . . . . . . 4
1.1.2.2 Kontakttlache. . . . . . . . 5
1.1.2.2.1 Qualitative Beschreibung .. 5
1.1.2.2.2 Modelltheorien und profilometrische Theorien . 8
1.1.2.3 Kontaktwiderstand................ 12
1.1.2.3.1 Engewiderstand einer Mikrotlachenverteilung .. 12
1.1.2.3.2 Engewiderstand in Abhangigkeit von der Kontaktkraft . 15
1.1.2.3.3 R-U-Kennlinie eines Kontaktes ............. . 17
1.1.2.3.4 Temperaturabhangigkeit der Kontaktspannung und des Engewiderstandes 19
1.1.2.4 Haften und SchweiBen (A. Keil, uberarbeitet von E. Vinaricky) . 22
1.1.2.4.1 Haften und SchweiBen ohne Strombelastung . . . . . . . . . . . . . . 22
1.1.2.4.2 Grundbegriffe zum SchweiBverhalten elektrischer Kontakte . . . . . . 24
1.1.2.4.3 SchweiBverhalten geschlossener Kontaktstiicke unter Strombelastung
(E. Walczuk, uberarbeitet von E.Vinaricky) ..... 25
1.1.3 Fremdschichtbehafteter Kontakt
(M. Huck u. W. A. Mer!, uberarbeitet von M. Huck) 32
1.1.3.1 Entstehung von Fremdschichten. . . . . . . . . . . 32
1.1.3.2 Hautwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.1.3.3 Kontaktwiderstand und Kontaktkraft fremdschichtbehafteter Kontakte 37
1.1.3.4 Fritten von Fremdschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
l.2 Schaltender Kontakt (A. Keil, uberarbeitet von E. Vinaricky) . 44
1.2.1 Einfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.2.2 Schmelzbrucke und Lichtbogengrenzkurve . . . . . . . . . . 44
1.2.3 Vorgange in Schaltkreisen der Informationstechnik. . . . . . 47
1.2.3.1 Eintlusse auf das Kontaktverhalten bei kleinen und mittleren Lasten . 47
1.2.3.2 Schaltvorgange im Bereich der Telekommunikation 0. Weiser) . 49
1.2.3.2.1 Einschaltvorgang in Gleichstromkreisen mit induktiver Last . 49
1.2.3.2.2 Einschaltvorgang in Gleichstromkreisen bei kapazitiver Last . 50
1.2.3.2.3 Ausschaltvorgang in Gleichstromkreisen mit induktiver Last. 50
1.2.3.3 Schaltvorgange bei Relais mit Auftreten von Lichtbogen 51
1.2.3.3.1 Einschaltvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
X Inhaltsverzeichnis
1.2.3.3.2 Ausschaltvorgang bei Gleichstrom. . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.2.3.3.3 Ausschaltvorgang bei Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.2.3.4 Erhohung der Lebensdauer durch Beschaltung (Kontaktschutz)
(L. Borchert, iiberarbeitet von E. Vinaricky). . . . . . . 54
1.2.3.4.1 Kontaktschutz ("FunkenlOschung") bei induktiver Last. . . . . 54
1.2.3.4.2 Kontaktschutz bei kapazitiver Last. . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.2.4 Vorgange in Schaltkreisen der Energietechnik (K.-H. Schroder) 57
1.2.4.1 Probleme an Kontaktstiicken. 57
1.2.4.2 Schaltvorgange........ 58
1.2.4.2.1 Einschalten einer Induktivitat 58
1.2.4.2.2 Einschalten einer Kapazitat. . 59
1.2.4.2.3 Ausschalten einer Induktivitat . 62
1.2.4.2.4 Ausschalten einer Kapazitat . . 66
1.2.5 Grundbegriffe iiber elektrische Entladungen in Gasen
(A. Keil u. E. Vinaricky, iiberarbeitet von E. Vinaricky) 68
1.2.5.1 Bildung von Ladungstragern im Gasraum. . . . . 69
1.2.5.2 Selbstandige Dunkelentladung (Townsend Effekt) 70
1.2.5.3 Glimmentladung........ 71
1.2.5.4 Kennzeichen des Lichtbogens . 71
1.2.5.5 Elektronenaustritt aus Metallen 72
1.2.5.5.1 Thermoemission . . . . . . . 72
1.2.5.5.2 Feldemission . . . . . . . . . . 73
1.2.5.5.3 Thermo-Feld-Emission (T-F) . 74
1.2.5.5.4 Elektronenemission infolge StoB. 74
1.2.5.5.5 Elektronenemission durch Lichtquanten (Photoeffekt) . 75
1.2.5.6 Fallgebiete des Lichtbogens. 75
1.2.5.6.1 Anodenmechanismus . . . 75
1.2.5.6.2 Kathodenmechanismus. . . 76
1.2.5.7 Lichtbogencharakteristiken. 76
1.2.5.8 Nichtstationare Zustande .. 77
1.2.5.9 Plasmastrahlen (K.-H. Schroder) 78
1.2.5.9.1 Grundlagen zur Entstehung . . . 78
1.2.5.9.2 EinfluB des Kontaktwerkstoffes . 79
1.2.5.9.3 Beeinflussung des Schaltvorganges. 80
1.2.5.10 Metalldampfbogen "Kurze Bogen"
(F. Llewellyn-Jones u. A. Keil, iiberarbeitet von E. Vinaricky) . 81
1.2.6 Beanspruchung der Kontaktoberflache durch Entladungsvorgange. 83
1.2.6.1 Materialwanderung bei Gleichstrom. . . . . . . 84
1.2.6.1.1 Materialwanderung von der Anode zur Kathode 84
1.2.6.1.2 Materialwanderung von der Kathode zur Anode 87
1.2.6.1.3 Materialwanderung im Bereich hoher Strome
(A.Keil, iiberarbeitet von E. Vinaricky) 88
1.2.6.2 Materialwanderung bei Wechselstrom . 89
1.2.6.3 Abbrand (E. Vinaricky) ........ . 90
1.2.6.3.1 Priifkriterien fur den Abbrand. . . . . 92
1.2.6.3.2 Abbrand von Kontaktwerkstoffen in verschiedenen Anwendungsbereichen 93
1.2.6.3.3 Abbrandmechanismen bei den verschiedenen Kontaktwerkstoffgruppen 101
1.2.6.4 SchweiBverhalten bewegter Kontaktstiicke "Dynamisches SchweiBen" ... 108