Feuchtigkeit im Relais - Ursache, Problemfälle und Lösungsansätze durch thermische Simulation

Abstract:
Im täglichen Leben ist der Mensch heute wie nie zuvor auf die Zuverlässigkeit elektrischer Schaltkreise angewiesen. Speziell bei hohen und niedrigen Temperaturen treten jedoch häufig Probleme auf. Durch die Simulation thermodynamischer Prozesse am Computer kann man mögliche Schwierigkeiten bei kritischen Temperaturen schon im Entwicklungsprozess erkennen, ohne Experimente am Objekt durchführen zu müssen. Kennt man zum Beispiel den Wärmehaushalt in einem Relais, lassen sich Schaltprobleme häufig verhindern. Daher sind Simulationen zu einem festen Bestandteil in der Entwicklung elektrischer Bauteile geworden. In Relais kann Restfeuchtigkeit, die entweder im Inneren in der Luft vorhanden ist oder auch aus den verbauten Materialien ausdampfen kann, auf den Relaiskontakten kondensieren. Bei niedrigen Temperaturen kann dies zu Eisbildung auf den Kontakten führen und so zu einem hochohmigen Kontaktwiderstand. Ob es dazu kommt, ist jedoch ein statistischer Prozess und hängt von vielen Parametern ab: neben dem Laststrom und der Spulenleistung spielt die Verbindung zur Leiterplatine, insbesondere der Querschnitt der Zuleitungen, eine ausschlaggebende Rolle. Im folgenden Artikel wird der Wärmehaushalt eines Relais, das bei tiefen Temperaturen und kleinen Lastströmen verwendet werden soll, nach der Finiten-Element-Methode berechnet. In mehreren Schritten werden die relevanten Parameter bestimmt und das Design dahingehend optimiert. Ferner werden vergleichende elektrische und thermische Messungen durchgeführt, um die Simulation zu bestätigen.