Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen

Neben dem Öffnen und Schließen von Stromkreisen ist die Stromführung bei geschlossenen Kontaktstücken eine wichtige Aufgabe für elektrische Kontakte. Der Stromfluss erfolgt dabei i.d.R. über eine Vielzahl kleiner Berührungsflächen, den sog, a-spots. Die Stromübergang sollte dabei verlustarm und die übertragung elektrischer Signale mÖglichst verzerrungsfrei ablaufen. Durch die Einengung der Stromlinien in den Berührungsflächen entsteht der Kontaktwiderstand, der mÖglichst klein und zeitlich weitgehend konstant sein sollte. Aufgrund der Einwirkung schadstoffhaltiger Umgebungsatmosphären, Staub- oder Abriebprodukte kÖnnen Fremdschichten oder Fremdschichtinseln entstehen, die einen weiteren Widerstandsanstieg verursachen. Bei hohen StrÖmen kann die Wärmeerzeugung so groß sein, dass das Kontaktmaterial im Bereich der Berührungsflächen aufschmilzt und so temporäre oder bleibende Verschweißungen auftreten, die u.U. zu einem Geräteausfall führen. Im vorliegenden Kapitel werden u.a. die verschiedenen Theorien zur rechnerischen Erfassung des Kontaktwiderstandes dargestellt. Daneben werden das Schweißverhalten der verschiedenen Kontaktwerkstoffe und das Fritten, d.h. die thermo-elektrische ZerstÖrung von Fremdschichten, beschrieben.

Schaltende Kontakte haben die Aufgabe, elektrische Potenziale zu verbinden, dabei Stromkreise zu schließen, vorübergehend oder für längere Zeit die Stromführung zu übernehmen, geschlossene Stromkreise zuverlässig wieder zu öffnen und dadurch den Stromfluss sicher zu unterbrechen sowie im geöffneten Zustand unterschiedliche Potenziale gegeneinander zu isolieren. Dabei treten komplexe physikalische und technische Phänomene auf, wie z.B. die verschiedenen Gasentladungserscheinungen, zu denen die Grundlagen in ihren Einzelheiten erläutert werden und deren Auswirkungen wie Verschweißungen der Kontaktstücke, Verschleißerscheinungen, Werkstoffübertragungen, Lichtbogenwanderungen und -löschungen, Kontakterwärmungen usw. aufgezeigt werden. Zielsetzung in der Anwendung ist eine lange Lebensdauer der Schaltkontakte bei besonders hoher Zuverlässigkeit. Die Möglichkeiten, diese Ziele zu erreichen, werden unter Berücksichtigung der speziellen Kontaktwerkstoffe, die für die unterschiedlichen Anwendungsfälle entwickelt wurden, und unter Berücksichtigung der Gestaltung der Schaltglieder und Löschkammern für Gleich- und Wechselstromschalter bei verschiedenen Lasten diskutiert.

Gleitkontakte haben die Aufgabe, sowohl elektrische Signale als auch elektrische Energie zwischen Partnern zu übertragen, die sich relativ zu einander bewegen. Im Betriebsfall treten Reiberscheinungen auf, die je nach Werkstoff der Kontaktpartner zu verschiedenen Verschleißarten, wie adhäsiver, abrasiver oder Ermüdungsverschleiß, führen. Bei Zinnbeschichtungen, z.B. auf Steckverbinderkontakten kann vor allem die Reiboxidation ( „fretting korrosion“) einen erhöhten Verschleiß oder gar vorzeitigen Ausfall verursachen. Zu einer Verschleißverminderung können dabei spezielle Schmiermittel beitragen, die den Reibwert des Schichtsystems verringern. Bei der Übertragung elektrischer Energie kommen Bürsten und Schleifstücke aus Kohle und Grafit zum Einsatz. Der dabei im Betriebsfall auftretende Verschleiß setzt sich aus einem mechanischen und einen elektrischen Anteil zusammen, Die bei beiden Anwendungen auftretenden Phänomene werden beschrieben und Hinweise zur Optimierung des Gleitkontaktsystems gegeben.

Beim Einsatz von elektrischen Kontakten können eine Reihe von Erscheinungen auftreten, durch die sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Lebensdauer der Kontaktteile in Schaltgeräten und Bauelementen erheblich beeinträchtigt werden. Umwelteinflüsse fördern die Bildung von Fremdschichten und bewirken eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes und Spannungsabfalls. Sie sind auch Ursache für eine „Silber-Migration“ sowie für die Bildung von langen, haarförmigen Whiskern, die Kurzschlüsse mit einem sofortigen Geräteausfall zur Folge haben können. Ebenso können chemische Reaktionen, die sich unter dem Einfluss einer Gasentladung bilden, bei bestimmten Kontakt- und Trägerwerkstoffen sowie auf Isolierstoffen zu Störungen bis zum totalen Geräteausfall führen. In den Darstellungen werden die physikalischen Grundlagen hierzu aufgezeigt und eine Reihe von Lösungsvorschlägen erörtert, die den Phänomenen entgegenwirken sollen.

Von den schmelztechnisch erzeugten Metallen kommen für Kontaktzwecke vor allem die Edelmetalle Silber, Gold, Palladium und Platin infrage. Die Werkstoffeigen-schaften der reinen Edelmetalle sind jedoch für Kontaktanwendungen i.d.R. nicht ausreichend. Durch Zulegieren weiterer Edel- oder Unedelmetalle kann jedoch ihr Eigenschaftsspektrum erweitert und bzgl. des Kontaktverhaltens überwiegend günstig beeinflusst werden. Legierungen auf Gold- und Palladium-Basis sind wegen ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit für das Schalten geringer elektrischer Lasten bei niedrigen Kontaktkräften besonders geeignet. Spezielle Legierungen, wie AuNi oder PdCu zeigen in Gleichstromkreisen nur eine geringe Neigung zu der gefürchteten Materialwanderung. Das Einsatzgebiet von Silberlegierungen erstreckt sich auf mittlere elektrische Lasten. In den Darstellungen werden die verschiedenen Kontaktwerkstoffe, ihre Herstellung sowie ihre mechanischen, elektrischen und kontaktspezifischen Eigenschaften beschrieben.

Die hohen Anforderungen, die an Schaltgeräte bezüglich des Ein- und Ausschaltvermögens, der Stromführung, der Lebensdauer sowie der Zuverlässigkeit gestellt werden, machen spezielle Kontaktwerkstoffe erforderlich, von denen die meisten nur nach aufwändigen Verfahren hergestellt werden können. Neben den reinen hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram und Molybdän, die nur in Sonderfällen zum Einsatz kommen, stehen insbesondere die Verbundwerkstoffe im Vordergrund, die meist ebenso wie die hochschmelzenden Metalle pulvermetallurgisch hergestellt werden. Bei „Metall - Metall“ - Komponenten, wie bei Silber-Nickel und Silber-Wolfram werden zur Verbesserung des Gefügeaufbaus und der Kontakteigenschaften Zusätze beigegeben. Dies gilt im besonderen Maße auch, wenn die Komponenten aus „Metall - Metalloxid“ bestehen. Speziell beim Ersatz des umweltschädigenden Ag/CdO, das ein sehr breites Anwendungsspektrum abdeckte, müssen dem Alternativwerkstoff Ag/SnO₂ je nach Anwendung und konstruktiver Gestaltung des Schaltgerätes diverse Wirkzusätze beigegeben werden, um ein optimales Kontakt- und Schaltverhalten zu erreichen.

Besondere Vorteile, wie Unabhängigkeit vom spekulativen Silberpreis, kleine Bauweise, kurze Schaltwege mit entsprechend einfacheren Antrieben, totale Kapselung, hohe Schaltleistungen usw., haben zur Entwicklung von Vakuumschaltern für die Energietechnik geführt. Neben den Standard-Anforderungen an Kontaktwerkstoffe, wie hohe Abbrandfestigkeit, große Sicherheit gegen Verschweißungen und niedriger Kontaktwiderstand, müssen Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter weitere Voraussetzungen erfüllen. Dazu gehören ein niedriger Abreißstrom, wenn sich ein Wechselstrom seinem Nulldurchgang nähert, ein gutes Löschvermögen mit der Folge einer hohen dielektrischen Festigkeit der Schaltstrecke nach dem Verlöschen des Lichtbogens und eine geringe Gasfreisetzung beim Aufschmelzen des Materials. Die ursprünglich verwendeten Kupferlegierungen mit Wismut-Zusatz wurden inzwischen durch preiswertere Verbundwerkstoffe auf der Basis von Kupfer-Chrom und Kupfer-Wolfram ersetzt, wobei spezielle Additive dem Abreißstrom und der Veschweiß-neigung entgegenwirken.

Für den Einsatz in Steckverbindern und Gleitkontaktsystemen, insbesondere bei geringen elektrischen Lasten, haben galvanische Schichten aus Edelmetallen, wie Gold, Palladium und Silber große Bedeutung erlangt. Daneben finden Rhodium- und Ruthenium-Schichten sowie für Kfz-Anwendungen und im Bereich der Hausgeräte Zinn-Schichten Anwendung. Neben der galvanischen Metallabscheidung kommt für spezielle Anwendungen auch die stromlose, chemische Abscheidung zum Einsatz. Durch einen geeigneten Schichtaufbau mit unterschiedlicher Schichtfolge kann das Eigenschaftsspektrum der Basis-Schicht sowohl durch Schichteigenschaften, wie Härte und Korrosionsbeständigkeit, als auch durch Funktionseigenschaften, wie niedriger Kontaktwiderstand und Verschleißverhalten erweitert werden. Beim Schichtaufbau wird häufig Nickel als funktionelle Zwischenschicht verwendet, die sowohl als Diffusionsbarriere dient, als auch das Verschleißverhalten bei reibender Kontaktgabe günstig beeinflusst. Herstellung und Eigenschaften der aus wässrigen Lösungen hergestellten Kontaktschichten werden beschrieben.

Die Übertragung der elektrischen Energie zwischen zwei metallischen Körpern, die sich relativ zueinander bewegen, erfolgt über Schleifkontakte. Diese bestehen meist aus Kohle oder verschiedenen Arten von Grafit. Sie weisen sowohl eine verhältnismäßig gute elektrische Leitfähigkeit als auch eine hervorragende Gleitfähigkeit auf und bieten eine große Sicherheit gegen Verschweißungen. In Abhängigkeit von der Art des Stromes, ob Gleich- oder Wechselstrom, und je nach der Größe der zu übertragenden Energie sowie der Gleitgeschwindigkeit, kommen unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz. Die Herstellung der Werkstoffe erfolgt durch Pressen von Kohle- oder Grafitpulvern, die vorher auf eine bestimmte Korngröße zermahlen, dann mit Bindemitteln wie Pech oder Kunstharz versetzt und anschließend stranggepresst werden. In Anpassung an die Beanspruchungsart können die Kontaktteile mit Metallsalzen imprägniert und zur Verbesserung der Lebensdauer und Stromtragfähigkeit mit Metallpulvern versetzt werden.

Polymere sind aus Makromolekülen aufgebaute Kunststoffe, die hauptsächlich in Erscheinungsformen, wie Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere, Verwendung finden. Leitende Polymere enthalten als leitfähige Partikel meist Ruß oder Silber. Sie werden für Schalt- und Kontaktierungsaufgaben in elektronischen Stromkreisen in Bauelementen, wie Tasten, eingesetzt. Herstellung und Eigenschaften leitender Polymere werden beschrieben

Kontaktträgerwerkstoffe haben auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Kontaktsystemen in Schaltgeräten sowie elektromechanischen und elektronischen Bauelementen einen maßgeblichen Einfluss. Von den Kontaktträgerwerkstoffen werden je nach Anwendung neben einer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit gute Festigkeitseigenschaften auch bei erhöhter Umgebungstemperatur verlangt. Beim Einsatz als Kontaktfedern muss der Werkstoff gute Federeigenschaften aufweisen. Daneben sind auch technologische Eigenschaften, wie Schweiß- und Lötbarkeit u.a. zu nennen. Große Bedeutung haben dabei Kupferlegierungen. Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Bauelemente sind die Anforderungen an diese Werkstoffe weiter gestiegen. Um diesem Trend gerecht zu werden, wurden eine Reihe neuer Mehrstoff-Kupferlegierungen entwickelt, deren Eigenschaften beschrieben werden. Die reinen Leiterwerkstoffe übernehmen hauptsächlich die Stromleitung oder dienen z.B. als Plattierungspartner in Halbzeugen, die zur Herstellung von Bondverbindungen im Rahmen der Aufbau- und Verbindungstechnik eingesetzt werden.

V. Behrens

Zunehmende Erkenntnisse und wachsendes Bewusstsein über die Problematik umweltrelevanter, gesundheitsschädlicher Stoffe in industriellen Gütern und Konsumprodukten führen weiterhin zu Diskussionen und Einschränkungen bei der Verwendung bestimmter Substanzen. Für den Bereich der elektrischen Kontakte wird ein Überblick über die relevanten gesetzlichen Regelungen vor allem in der EU und freiwilligen Selbstkontrollen der Industrie gegeben. Es wird auf die Schadstoffe, Cadmium, Quecksilber, Blei, Chrom, Beryllium, Nickel, Schwefelhexafluorid sowie die Kunststoffe PBB und PBDE eingegangen und auf umweltfreundliche Alternativlösungen hingewiesen. Ausführlich wird die Problemstellung bei den Kontaktwerkstoffen Silber-Nickel und Silber-Cadmiumoxid beschrieben. Letzterer Kontaktwerkstoff hat sich über viele Jahrzehnte vor allem in Schaltgeräten der Niederspannungstechnik bewährt und wird derzeit weiter in einer Reihe von Ländern außerhalb der EU eingesetzt.

Massive Kontaktniete stellen die ältesten und gebräuchlichsten Kontaktteile dar. Ihre Herstellung setzt einen ausreichend verformbaren Werkstoff voraus. Dies ist bei den üblichen Werkstoffen auf Ag⁻, Au⁻, Pd⁻ und Pt-Basis sowie den Verbundwerkstoffen aus Ag/Ni und Ag-Metalloxid, wie Ag/SnO₂, Ag/ZnO und Ag/CdO, gegeben. Bei den Ag/SnO₂ –Werkstoffen ist die Umformbarkeit je nach Zusammensetzung und Herstellungsverfahren eingeschränkt. Bei geringen Umformgraden können auch Ag/C-Werkstoffe mit 2 bis 3 Massen-% Grafit zu massiven Kontaktnieten verarbeitet werden.

Bei der Gestaltung von Kontaktstellen in Schaltgeräten und Bauelementen spielen Halbzeuge, aus denen z.B. durch Stanzen, Biegen und Formen die gewünschten Kontaktteile hergestellt werden, eine wichtige Rolle. In der Kontakttechnik kommen verschiedene Arten von Halbzeugen zum Einsatz. Neben den klassischem Kontaktbimetall, bei dem durch Warmpressschweißen oder Kaltwalzplattieren der Kontaktwerkstoff mit dem unedlen Trägerwerkstoff stoffschlüssig verbunden wird, kommen rollennahtgeschweißte und gelötete Halbzeuge (Toplay-Profile) zur Anwendung. Wenn sehr dünne Kontaktauflagen benötigt werden, stellen die galvanische Metallabscheidung und die Oberflächenbeschichtung über die Gasphase (PVD-Verfahren) wirtschaftliche Lösungen im Hinblick auf Edelmetalleinsparung dar. Herstellung und Eigenschaften der verschiedenen Halbzeuge werden beschrieben.

In der Kontakttechnik bieten sich je nach Anwendung eine Reihe von Verfahren an, um vorgefertigte Kontaktträgerteile mit dem gewünschten Kontaktwerkstoff zu bestücken. Hierzu zählen die mechanischen Verfahren, wie Nieten und Einpressen von Drahtabschnitten, das Löten und das Schweißen. Besonders bei Großserien haben sich verschiedene Schweißverfahren auch im Hinblick auf einen sparsamen Edelmetalleinsatz als sehr wirtschaftlich erwiesen. Lötverfahren finden meist bei größeren Kontaktauflagen, die vor allem in Schaltgeräten der Niederspanungstechnik benötigt werden, Anwendung. Dabei muss eine stoffschlüssige, weitgehend lunkerfreie Verbindung zwischen Kontaktauflage und Trägerteil gewährleistet sein. Die verschiedene Bestückungsverfahren und ihre bevorzugten Einsatzgebiete werden beschrieben. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Prüfung der Löt- und Schweißverbindungen, die letztlich die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Kontaktteile bestimmen.

Der elektrische Strom wird bei Motoren und Generatoren über Kohlebürsten und einen Kommutator oder einen Schleifring geleitet und bei Bahnen über ein Kohleschleifstück des Stromabnehmers und den Fahrdraht. Der Strom kann dabei in beide Richtungen fließen, und es sollten für einen möglichst kleinen Kontaktwiderstand große Kontaktflächen zur Verfügung stehen. Die bei großen Strömen teils parallel geschalteten Kohlebürsten sind in ihren Tangential- und Axialmaßen sowie in ihren Anordnungen für Schleifringe und Kommutatoren sehr unterschiedlich. Bei Kommutatoren sollte das Tangentialmaß klein sein, um Querströme von einer Wicklung des Läufers zur nächsten zu unterdrücken. Die Halterung der Bürstenschleifstücke bei Stromabnehmern von Bahnen, teils in der Ausführung als Mehrstoffschleifstücke, hängt von der Geschwindigkeit der Bahn ab und kann durch Schraub-, Kleb-, oder Bördelverbindungen erfolgen.

Elektrische Kontakte kommen in unterschiedlichen Schaltgeräten und Bauelementen der Energie- und Informationstechnik zum Einsatz. Hinsichtlich ihrer Funktion lassen sie sich in folgende Gruppen einteilen: geschlossene Kontaktstellen, wie Schraub- und Bondverbindungen u.a., Steckkontakte, wie Steckverbinder, Gleitkontakte, wie Schleifringübertrager u.a. und schaltende Kontakte, wie Motorschalter, Relais u.a.. Beispiele für unterschiedlichen Funktionsarten werden im folgenden Kapitel beschrieben.

Diese Thematik wurde von Faas und Swozil ausführlich dargestellt, so dass hier nur auf einige Verbinsdungstechniken eingegangen werden soll, die jedoch große praktische Bedeutung haben.

Die Aufgaben, Beanspruchungen und Bauweisen der in der Hoch- und Mittelspannungstechnik eingesetzten Schalter sind außerordentlich mannigfaltig. Es ist deshalb notwendig, sie nach mehreren Kriterien zu kennzeichnen, insbesondere hinsichtlich

Die Entwicklung des weltweiten Verbrauchs an Primärenergie (Kohle, Erdgas, Erdöl, Gas, Holz) hat sich in den letzten 40 Jahren mehr als verdoppelt. Der Grund für diesen Anstieg liegt u. a. in einer wachsenden Weltbevölkerung und einem steigenden Pro-Kopf-Verbrauch an Elektroenergie. Darüber hinaus müssen Probleme, wie die Verknappung der natürlichen Ressourcen (Erdöl, Erdgas und Kohle), der Klimawandel (Zunahme des CO₂-Gehaltes, Treibhauseffekt, Temperaturanstieg), die Gefährdung und Entsorgung, welche durch Radioaktivität bzw. radioaktiven Abfall (Endlager) bestehen, für die Menschheit generell gelöst werden. Ein Lösungsansatz dafür liegt in der verstärkten Nutzung von regenerativen Energiequellen für die Erzeugung von Elektroenergie.

Die dargestellten Korrosionsprüfungen beziehen sich hauptsächlich auf schmelztechnisch, galvanisch oder physikalisch (PVD) hergestellte, sehr dünne Edelmetallschichten. Durch Einwirkung schadgashaltiger Medien aus dem unmittelbaren Umfeld können Fremdschichten auf der Kontaktoberfläche entstehen, die die Zuverlässigkeit der Kontaktgabe aufgrund erhöhter Kontaktwiderstandswerte nachteilig beeinflussen. Es war daher stets das Bestreben, Prüfmethoden für Kontaktwerkstoffe zu erarbeiten, die in einem zeitraffenden Verfahren Aussagen über das Verhalten der Kontaktschichten in unterschiedlichen Schadgasatmosphären ermöglichen. Schadgastests mit nur einer Komponente, z.B. Schwefelwasserstoff, und Tests mit zwei nacheinander eingesetzten Schadgasen sind nur bedingt aussagefähig. Langzeittests mit vier Schadgasen stellen am ehesten ein realistisches Abbild der natürlichen Schadgasatmosphäre dar. Ergebnisse von Schadgasprüfungen mit verschiedenen Kontaktwerkstoffen werden beschrieben.

Die verschiedenen Verfahren der Oberflächenanalyse ermöglichen Fremdschichten oder Fremdpartikel auf der Oberfläche elektrischer Kontakte festzustellen und gegebenenfalls ihre Zusammensetzung zu bestimmen. Die Untersuchungsmethoden werden sowohl im Rahmen der Entwicklung und Qualitätskontrolle als auch zur Aufklärung von Schadensfällen angewandt. Die Methoden der Oberflächenanalyse erstrecken sich von der Rasterelektronenmikroskopie (REM) und angeschlossener Röntgenanalyse (EDX bzw. WDX) zu den noch empfindlicheren Prüfmethoden, wie Augerelektronenspektroskopie (AES), Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Sekundärmassenspektroskopie (SIMS). Zur Prüfung des Schichtdickenverlaufs bei der kontinuierlichen selektiven Beschichtung wird meist die Röntgenfluoreszensanalyse (RFA) „online“ in Fertigungslinien eingesetzt. Die verschiedenenVerfahren der Oberflächenanalyse und ihr praktischer Einsatz im Bereich der elektrischen Kontakte werden beschrieben.

In Schaltgeräten und Bauelementen der Informationstechnik, z.B. Steckverbindern, kommen häufig dünne Kontaktschichten zum Einsatz. Bei der Prüfung dieser Schichten ist zwischen den eigentlichen Schichteigenschaften und den Funktionseigenschaften zu unterscheiden. Zu den Schichteigenschaften sind u.a. Härte, Duktilität, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu zählen. Bei den Funktionseigenschaften stehen je nach Anwendung Reibverschleiß, Kontaktwiderstand, Materialwanderung oder das Verschleißverhalten im Vordergrund. Daneben spielen technologische Eigenschaften, wie Haftfestigkeit, Lötbarkeit und Bondbarkeit eine wichtige Rolle. Die einschlägigen Prüfungen beziehen sich hauptsächlich auf galvanisch abgeschieden Schichten, sie gelten aber auch für Schichten, die durch mechanische Plattierverfahren oder durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellt wurden.

Prüfungen des Kontaktverhaltens in der Informationstechnik werden i.d.R. in den jeweiligen Geräten oder Bauelementen durchgeführt. Dabei stellen die Lebensdauer und der Kontaktwiderstand wichtige Prüfmerkmale dar. Die Bestimmung der Lebensdauer erfolgt dabei nach festgelegten Kriterien gemäß einschlägiger Vorschriften und Normen. Die Prüflasten in den jeweiligen Anwendungsfällen werden häufig elektronisch nachgebildet, um die Prüffolge zeitraffend durchführen zu können. Die Messung des Kontaktwiderstandes erfolgt nach Kategorien, welche die jeweiligen Schaltlasten im praktischen Einsatz darstellen. Die systematische Aufklärungsweise eines Schadensfalls wird dokumentiert.

Elektrische Prüfungen von Kontaktwerkstoffen für die Energietechnik können in Schnellprüfständen und in Serien-Schaltgeräten erfolgen. Bei den meisten Schnellprüfständen wird das Ein- und Ausschaltverhalten getrennt erfasst, und es lassen sich die einflussnehmenden Parameter, wie Kontaktkraft, Masse und Geschwindigkeit des beweglichen Kontaktstückes usw., in weiten Bereichen variieren. Mit ihnen können spezielle „Stärken und Schwächen“ eines Werkstoffes erkannt werden, und die einzelnen Werkstoffe, z.B. Neuentwicklungen, lassen sich nach ihrem Schaltverhalten klassifizieren. Es ist jedoch nicht möglich, die Eignung eines Werkstoffes für ein bestimmtes Gerät festzustellen. Hierfür muss ein Werkstoff im betreffenden Serien-Schaltgerät erprobt werden. Da die Schaltgeräte aus gleicher Serie in ihren mechanischen Eigenschaften von Gerät zu Gerät sehr stark schwanken können, müssen mehrere Geräte unter Anwendung spezieller Analysemethoden getestet werden.

Kontaktstücke in der Energietechnik werden beim Ein- und Ausschalten von Lichtbögen beansprucht, die je nach Belastung und Umfeld zusammen mit der Stromerwärmung im geschlossenen Zustand zur thermischen Zerstörung des Schaltgerätes führen können. Derartige schwerwiegende Fehler können ihre Ursache schon in der Auswahl der Kontakt- und Trägerwerkstoffe sowie in der Wahl der Werkstoffe für das Gehäuse und anderer Teile des Schaltgerätes haben. Hinzu können fertigungsbedingte Fehler im Werkstoffgefüge sowie fehlerhaftes Schweißen, Löten oder mechanisches Befestigen beim Verbinden vom Kontaktwerkstoff mit dem Kontaktstückträger kommen. Neben diesen „inneren“ Einflüssen treten „äußere“ Einflüsse hinzu, wie korrosive Umgebungsmedien, Stäube, Flitter oder Kunststoffpartikel, die den Kontaktwiderstand stark ansteigen lassen. Sofortige Geräteausfälle werden durch Verschweißen der Kontaktstücke, langsame Ausfälle durch Überhitzung und zu geringe Lebensdauer deutlich.

In elektrischen Industrieanlagen, Hausinstallationen oder Bordnetzen können beim Auftreten eines Fehlers Lichtbögen entstehen, die als Störlichtbögen bezeichnet werden. Für deren Entstehung gibt es vielfältige Ursachen, z.B. fehlerhafte Verbindungen, Isolationsfehler, Montage- und Materialfehler, Alterungserscheinungen am Kontaktsystem, Korrosion oder menschliches Versagen. Der Störlichtbogen ist dabei eine unerwünschte Erscheinung, die zur Unterbrechung der Stromversorgung oder zur Gefährdung von Personen führen kann. Die in den jeweiligen Anwendungsbereichen entstehenden Erscheinungsformen der Störlichtbögen werden beschrieben und Schutzkonzepte zum Schutz von Personen und Anlagen aufgezeigt

Modellbildung und Simulation sind wichtige Elemente u.a. bei der Entwicklung von Schaltgeräten, beim Studium des Lichtbogenverhaltens oder des Verhaltens elektrischer Kontakte im praktischen Einsatz. Die Nachbildung der im Schaltbetrieb auftretenden physikalischen Vorgänge erfolgt durch Modelle, die Rückschlüsse auf das Verhalten im realen Schaltgerät ermöglichen. Dadurch können Entwicklungskosten reduziert und Entwicklungszeiten verkürzt werden. Die Arbeitsweise der Modellbildung und Simulation werden u.a. an einem Leistungsschalter und einem Steckverbinder erläutert. Im Bereich der elektrischen Kontakte wird die Computersimulation des ruhenden Kontaktes unter Berücksichtigung von Oberflächentopographie und Schichtaufbau der Kontaktstelle dargestellt. Weitere Beispiele sind Untersuchungen des Gefüges von Kontaktwerkstoffen nach Lichtbogeneinwirkung, der Qualität von Lötverbindungen auf die Erwärmung des Kontaktstückes und die Lichtbogen- Komplettsimulation.

Die große Zahl von unterschiedlichen Metallen sowie Legierungen und Verbundwerkstoffen decken den Anwendungsbereich von kleinen Spannungen und Strömen in der Informations- und Datentechnik über Kfz-Elektrik, Hausgerätetechnik, Schalt- und Schutzgeräten bis den größten Spannungen und Strömen in Leistungsschaltern der Mittel- und Hochspannungstechnik ab. Um ein optimales Kontaktverhalten zu erreichen, müssen Kontaktwerkstoff, Art der Kontaktbestückung und Gestaltung der Kontaktstelle gut aufeinander abgestimmt sein. Nicht alle Werkstoffe lassen sich jedoch verfahrensbedingt in jeder gewünschten Form herstellen, da die Forderung nach einem. günstigen Umformverhalten oder guter Schweißbarkeit nicht immer erfüllt werden kann. In Tabellenform werden Hinweise für die Kontaktbestückung gegeben; dennoch ist eine Erprobung im betreffenden Schaltgerät unerlässlich, um mit möglichst geringem Edelmetalleinsatz und kleinem Gerätevolumen eine optimale wirtschaftliche Lösung zu erreichen.

Neben der eigentlichen Funktion „Einschalten, Stromführung und Ausschalten“ kommen den Kontaktstellen in Schaltern Aufgaben zu, die sich grob unterteilen lassen in: