DE1029497B - Zusammenarbeitendes Paar Gleichstrom fuehrender elektrischer Kontakte - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein zusammenarbeitendes Paar Gleichstrom führender elektrischer Kontakte, die einen Lichtbogen bilden, wenn die Kontakte voneinander getrennt werden, und nur geringe Materialvvanderung von der Kathode zur Anode zeigen.

Die Lebensdauer solcher Kontakte ist hauptsächlich durch die Abnutzung beschränkt, die von dem elektrischen Strom bewirkt wird. Ein Teil des Verschleißes wird durch die Wärme hervorgerufen, die während des öffnens der Kontakte vor ihrer endgültigen Trennung erzeugt wird. Diese Abnutzung besteht normalerweise aus der Übertragung oder dem Transport von Kontaktmaterial von der Anode zur Kathode, die gewöhnlich Brückenübertragung genannt wird. Ein anderer, im allgemeinen größerer Teil des Verschleißes wird durch den elektrischen Lichtbogen erzeugt, der gewöhnlich entsteht, während sich die Kontakte trennen oder schließen. Der Lichtbogen kann dadurch vermieden werden, daß die Spannung während der Kontaktöffnung und -Schließung kleiner als die kleinste Lichtbogenspannung gehalten wird, wie beispielsweise durch die Anwendung einer niedrigen elektromotorischen Kraft und eines halbleitenden Spannungsbegrenzers parallel zu den Kontakten. Jedoch ist es oft nicht erwünscht oder möglich, die Spannung auf diese Weise zur Vermeidung eines Lichtbogens zu begrenzen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines zusammenarbeitenden Paares Gleichstrom führender elektrischer Kontakte, die sich beim öffnen oder Schließen nicht merklich abnutzen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wenigstens einer der Kontakte aus einem Material hergestellt ist, das den Anodenspannungsabfall im Lichtbogen erhöht, wenn der Strom eine für das verwendete Material charakteristische Grenze überschreitet.

Durch diese Maßnahme wird eine Begrenzung der Übertragung von Kathodenmaterial an die Anode erreicht und dadurch ein Gleichgewicht erzielt, so daß im wesentlichen kein Verschleiß oder Aufbau an einem der Kontakte erfolgt. Die Erfindung ist im besonderen auf Gleichstromkontakte anwendbar, wo der Strom und die Kontaktdrücke außerordentlich niedrig sind.

Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß die Brückenübertragung, die den Fällen ohne Lichtbogen zugeordnet ist, wesentlich dadurch beseitigt werden kann, daß man den Anodenkontakt aus einem Gemisch von 20 bis 70% Silber, aber bevorzugt nicht über 40%, 2 bis 8% Nickel, bevorzugt aber ungefähr 5 %, und im übrigen aus Gold herstellt. Alle Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht. Das Material kann eine Legierung oder ein Gemisch aus Pulvern Zusammenarbeitendes Paar
Gleichstrom führender
elektrischer Kontakte

Anmelder:

Stackpole Carbon Company,
St. Marys, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Pienzenauerstr, 2, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. März 1953

Ragnar Holm und Else M. K. Holm,

St. Marys, Pa. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

sein, das einem Druck unterworfen und gesintert worden ist. Von einer solchen Anode entsteht praktisch keine Übertragung, und da auch kein Transport von der Kathode auftritt, wenn kein Lichtbogen vorhanden ist, wird praktisch die gesamte Materialübertragung zwischen den Kontakten vermieden.

Im Falle der Lichtbogenbildung zwischen sich öffnenden Kontakten treten verschiedene Arten der Materialübertragung auf. Solange der Lichtbogen sehr kurz ist, was bedeutet, daß seine Länge in der Größenordnung der Länge des Bereiches des Kathodenfalles (in der Spannung) bei ungefähr 10~* cm bleibt, wird die Anode mit schnellen Primärelektronen bombardiert, die eine vorherrschende; anodische Verdampfung und somit die Übertragung von Kontaktmaterial von der Anode zur Kathode erzeugen. Es wurde auch in einem solchen Falle gefunden, daß die Anode weniger überträgt, falls sie aus einem geeigneten Material gemäß der Erfindung hergestellt ist. Das bevorzugte Material für diesen Zweck ist die Gold-Silber-Nickel-Legierung oder Gemisch, wie sie bzw. es in dem vorigen Absatz erwähnt wurde. Der gleiche kurze Lichtbogen kann zünden, wenn sich die Kontakte schließen, aber seine Lebensdauer ist sehr kurz und seine Wirkung kann gewöhnlich vernachlässigt werden.

Wenn jedoch ein kurzer Lichtbogen zwischen sich öffnenden Kontakten seine maximale Dauer erreicht

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setzt werden. Es wurde gefunden, daß diese Kontaktmaterialien am zufriedenstellendsten arbeiten, wenn Blei gegenwärtig ist. Sonst ist der Anodenfalleflekt schwach.

Die größte Kadmiummenge, die der Kontakt enthalten sollte, ist ein Prozentsatz, der nicht bewirkt, daß der Kontakt zu stark oxydiert, da dies ein Paar zusammenarbeitende Kontakte gegeneinander bei den geringen Strömen isolieren würde, die in Spannungsund sich über den Kathodenbereich hinaus zu erweitern beginnt, kann der Materialtransport, den er von
der Anode bewirkt, irgendwelches Anodenmaterial beeinträchtigen. Glücklicherweise kann eine solche
Übertragung mehr oder weniger durch Transport des
Kontaktmaterials in der entgegengesetzten Richtung
ausgeglichen werden, was in dem folgenden längeren
Lichtbogen stattfindet. Genauer ausgedrückt, enthält
dieser längere Lichtbogen vor der Anode ein Plasma,
das ein in hohem Maße ionisierter Bereich ist, in dem 10 reglern und anderen Relais auftreten. In vielen Sondie Elektronen verlangsamt werden. Das Bombarde- derfallen sollte nicht mehr als etwa 5% Kadmium ment der Anode durch.i'diese langsamen Elektronen verwendet werden.

bewirkt nur geringe Verdampfung. Gleichzeitig hat Es ist jedoch nicht erforderlich, daß der Anodendas Bombardement der Kathode durch positive Ionen kontakt aus den im vorigen Absatz beschriebenen zur Folge, daß die Verdampfung der Kathode über- 15 Materialien hergestellt wird. Es reicht gewöhnlich wiegt, wodurch sich ein Materialtransport von der aus, den Kathodenkontakt aus einem solchen Material Kathode ergibt. Dieser Effekt kann das Material, das zu machen und die Anode aus einem Material, das von der Anode während'der früheren Stufe des Licht- einen Anodenfall nicht fördert. In einem solchen Falle bogens entfernt wurde, wieder zu dieser zurückbrin- kann eine Materialübertragung von der Kathode gen. Selbstverständlich, wird _ein Ausgleich nur ver- 20 während einer Anfangsreihe von Schaltvorgängen wirklicht, wenn das gleiche Volumen des Kontakt- überwiegen. Dies ergibt einen Niederschlag oder Anmaterials in beiden Richtungen bewegt wird. satz des den Anodenfall fördernden Materials auf dem In der Praxis ist es schwierig und gewöhnlich un- Anodenkontakt, und dieser Niederschlag sorgt, solange möglich, einen genauen Ausgleich der Übertragung er die Anode bedeckt, für den gewünschten Anodendurch die Wahl der Schaltung zu erreichen, im beson- 25 fall in derselben Weise, als ob die Anode aus dem abderen, wenn die Schaltung bei veränderlichen Strö- gesetzten Material hergestellt wäre. Es kann sein, daß men arbeiten muß. Doch gemäß der Erfindung kann dann der Ausgleich hergestellt wird. Wenn jedoch dei der Ausgleich beträchtlich durch die Verwendung ge- Niederschlag durch einen Transport, der durch den eigneter Kontaktmaterialien verbessert werden, wie Anodenfall umgekehrt wird, zu der Kathode zurüeknun erklärt wird. Diese Kontaktmaterialien, wenn sie 30 bewegt wird, würde eine solche Übertragung wieder als Anoden verwendet werden, fördern einen Anoden- unterbrochen werden, wenn das ursprüngliche Anodenfall (in der Spannung) in dem Lichtbogen zwischen material unbedeckt ist, so daß dann ein neuer Niedersich trennenden Kontakten, wenn der Strom eine be- schlag auf der Anode folgen würde. Auf diese Weise stimmte Grenze überschreitet, die für das verwendete wird, auf längere Zeit betrachtet, ein annehmbarer Ähodenmaterial kennzeichnend ist. Der Anodenfall 35 Ausgleich erhalten.

beschleunigt die stromführenden Elektronen, so daß Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Kad-

sie die Anode mit hoher Geschwindigkeit bombardie- mium, Wismut, Antimon, Mangan oder Chrom in

ren, woraus sich eine verminderte Übertragung von Kontakten besteht darin, daß das Material, das über-

Kathodenmaterial zu der Anode und sogar in man- tragen wird, nicht bestrebt ist, sich in scharfen Spit-

chen Fällen ein Anodenverlust ergibt. Das Auftreten 40 zen zu konzentrieren, welche die Arbeitsweise der

des Anodenfalles setzt der Vergrößerung des Material- Kontakte stören können, sondern sich über eine ver-

transportes von der Kathode eine Grenze, wenn der hältnismäßig große Fläche ausbreitet.

Strom ansteigt. Andererseits bedeutet die Abschwä- Obgleich der Einfluß bestimmter Zusatzelemente in

chung des Anodenfalles, wenn sich der Strom zu ver- elektrischen Kontaktmaterialien im Zusammenhang

mindern beginnen würde, eine Verstärkung der Über- 45 mit dem Anodenfall erklärt wurde, wird nachdrück-

tragung von der Kathode, die in diesem Falle Hch betont, daß die Erfindung nicht von der Genauig-

erf orderlich ist, um den Ausgleich zwischen den Trans- keit dieser Erklärung abhängt. Die Tatsache bleibt

porten von der Anode und der Kathode beizube- bestehen, daß die betreffenden Kontaktmaterialien die

halten. Materialübertragung oder den Materialtransport von

Da verschiedene Schajtungsbedingungen erfordern, 50 der Kathode zu der Anode vermindern oder sogar

daß der Anodenfall bei verschiedenen Stromstärken umkehren, wirksam wird, ist es wichtig, eine Wahl von Kontaktmaterialien mit verschiedenen Stromgrenzen für den
Anodenfall zu haben.

Ein Anodenkontakt, der aus 1 bis 10% Blei (bevor- 55 zugt ungefähr 2%) und im übrigen aus Silber oder

Claims (7)

Patentansprüche: einem anderen Edelmetall, wie beispielsweise Gold, hergestellt ist, zeigt den Anodenfalleffekt bei verhältnismäßig hohen Strömen, Durch Zusatz von Kadmium zu diesem Material wird der Anodenfall bei 60 einem kleineren Strom gefördert. Die größte Kadmiummenge, die der Kontakt enthalten sollte, um nicht zu stark zu oxydieren, liegt in der Größenordnung von 30%, aber in vielen Spezialfallen sollte nicht mehr als etwa 5 % Kadmium verwendet werden. 65 Statt Kadmium können auch andere Elemente in ungefähr den gleichen Mengen zugesetzt werden. Als wirksam haben sich Wismut, Antimon, Mangan und Chrom erwiesen. Jeder dieser Stoffe oder ein Gemisch von zwei oder mehreren dieser Elemente kann züge- 70

1. Zusammenarbeitendes Paar Gleichstrom führender elektrischer Kontakte, die einen Lichtbogen bilden, wenn die Kontakte voneinander getrennt werden, und nur geringe Materialwanderung von der Kathode zur Anode zeigen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Kontakte aus einem Material hergestellt ist, das den Anodenspannungsabfall im Lichtbogen erhöht, wenn der Strom eine für das verwendete Material charakteristische Grenze überschreitet.

2. Zusammenarbeitendes Paar elektrischer Kontakte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkontakt aus 1 bis ungefähr 10% Blei und im übrigen aus Silber besteht.

3. Zusammenarbeitendes Paar elektrischer Kontakte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Material einen Prozentsatz von dem Ma-

terial aufweist, das aus der Gruppe von Elementen gewählt ist, in der Kadmium, Wismut, Antimon, Mangan und Chrom vertreten sind, und einerseits dieser Prozentsatz groß genug ist, um den Anodenspannungsabfall im Lichtbogen zu erhöhen, wenn die Intensität des Stromes den Grenzwert überschreitet, und andererseits dieser Prozentsatz klein genug ist, um die unerwünschte Erzeugung von Oxyd an dem Kontakt zu vermeiden.

4. Zusammenarbeitendes Paar elektrischer Kontakte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkontakt aus dem Material hergestellt ist, das von 1 bis ungefähr 10% Blei, weniger als 30% des Materials, das aus der Gruppe von Elementen ausgewählt ist, die Kadmium, Wismut, Antimon, Mangan und Chrom enthält, und im übrigen aus Edelmetall besteht.

5. Zusammenarbeitendes Paar elektrischer Kontakte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkontakt aus dem Material hergestellt ist, das von 1 bis ungefähr 2% Blei, 0,5 bis 5% Kadmium und im übrigen Silber enthält.

6. Zusammenarbeitendes Paar elektrischer Kontakte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkontakt aus dem Material gebildet ist, das über 70% Edelmetall und zwischen 1 und 10% Blei und im übrigen ein Element enthält, das den Anodenspannungsabfall im Lichtbogen bei einem geringeren Strom erhöht, als er durch die Kathode ohne dieses Element erreicht würde, und daß der Anodenkontakt aus einem Material hergestellt ist, das im wesentlichen nicht den Anodenspannungsabfall in dem betreffenden Strombereich erhöht.

7. Zusammenarbeitendes Paar elektrischer Kontakte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenkontakt aus ungefähr 5% Nickel, 20 bis 75% Silber und im übrigen Gold und der Kathodenkontakt aus Material hergestellt ist, das 1 bis 10% Blei, von 0 bis 30% des Materials, das aus der Gruppe von Elementen gewählt ist, zu der Kadmium, Wismut, Antimon, Mangan und Chrom gehören, und im übrigen aus Edelmetall besteht, so daß im wesentlichen keine Übertragung von Kontaktmaterial vom Anoden- oder Kathodenkontakt auftritt, falls kein Lichtbogen oder nur ein sehr kurzer Lichtbogen ausgebildet wird, und, falls der Lichtbogen langer wird, der anfänglich geringe Transport von Kontaktmaterial von der Anode zur Kathode im wesentlichen durch eine geringe Übertragung von Kontaktmaterial von der Kathode zu der Anode ausgeglichen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Schweizerische Patentschrift Nr. 234 233;

Linckh : »Die Untersuchung der Werkstoff wanderung bei elektrischen Kontakten« in ETZ, 1951, S. 79 bis 83;

S ρ al ti: »Das Kontaktproblem in der Fernmeldetechnik« im Bulletin d. Schweiz. Elektr. Vereins, 1952, S. 1069 bis 1074, Nr. 26;

Kerl u. Meyer: »Die Feinwanderung an Kontakten aus Legierungen mit Überstruktur« in Zeitschrift für Metallkunde, 1953, Bd. 44, S. 22 bis 26.

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