Kontakt-Korrosion Frage

Hallo Forenfreunde,

schlechte, über Jahrzehnte oxidierte Kupferkontakte oder sulfidierte Silberkontakte im NF-Vorverstärker-Eingangsteil von (Vor)verstärkern verursachen messbare Störungen des Frequenzgangs und vergrösserten Klirrfaktor, vor allem im unteren NF-Frequenzbereich bis hin zum Signalausfall.

Im einzelnen beobachtet man einen erhöhten Klirrfaktor (z.B. wenn er bei einwandfreiem, sauberen Kontakt ohne Oxid- bzw. Sulfidschicht typisch bei unter 0,01% THD liegt) um etwa eine Zehnerpotenz oder sogar noch etwas mehr und ein Abfall des Signalpegels im unteren Frequenzbereichs (bis ca. 1 kHz) von 0,1-0,3 dB.

Die Frequenzabhängigkeit des Übergangswiderstandes deutet auf eine kapazitive Eigenschaft der Kupfer-Oxidschicht bzw. Silber-Sulfidschicht. Das leuchtet unmittelbar ein. Der damit korrelierende erhöhte Klirrfaktor braucht aber weitere Annahmen zur Erklärung.

Offenbar verursacht die Korrosionschicht aus Kupfer-II-oxid bzw. aus Silbersulfid nichtlineare Verzerrungen. Bei einem aktuellen Beispiel (Schiebeschalter am Eingang einer Yamaha M-4 Stereoendstufe, die wahlweise einen Eingangskoppelkondensator zwischenschleift oder direkt koppelt) habe ich dafür k2 (erster Oberton) als Verursacher ausgemacht, der durch den korrodierten Kontakt erzeugt wurde.

Es ist davon auszugehen - und ist auch beschrieben - dass die Korrosionsschicht Halbleitereigenschaften hat.

Was ist der Mechanismus, der die nichtlineare Verzerrung bewirkt?


Die MOS-Schalter in den Saba 92xx haben da natürlich den Vorteil, dass sie keine Kontaktkorrosion kennen.


Gruss,
Reinhard

Hier konkret, wie die Kontaktqualität die Verzerrungen beeinflusst. Kontakte ungereinigt im Vergleich mit gesäuberten Kontakten (mit Kontakt 61 behandelt). Die Korrosionsschicht ist vermutlich Silbersulfid. Ich weiss es aber nicht sicher, habe den Schalter nicht geöffnet.

Der Schalter schaltet das NF-Signal aus dem Vorverstärker unter Umgehung des Eingangskoppelkondensators auf die Endstufe:



Beim korrodierten Schalter kann man den Pegeleinbruch von über 0,1 dB schön sehen (blaue Kurve), wenn auf "direkt" (Schalter "ein") geschaltet ist. Dagegen sieht man bei Schalter auf "aus" (Kopplung über Koppelelko) den wahren Pegelverlauf, wenn man mal von der tieffrequenten Absenkung durch den Koppelkondensator absieht.





Und zum Vergleich nach Entfernung der Korrosionsschicht auf den Kontakten (nun brettgerade bis Messgrenze 1 Hz):




Mit dem Pegelabfall korrelieren auch die Verzerrungen, die hier ausschliesslich von k2 herrühren. Verzerrungen jeweils gemessen an einem 8 Ohm Lastwiderstand bei 60W sinus am Endstufenausgang. Der Verstärker (Yamaha M-4) ist klirrarm, deshalb lässt sich das hier schön sehen:




In anderen Beispielen (z.B. Monitorschalter bei Grundig V 5000) hatte ich stärkere Verzerrungen bei 1 kHz. Breite und Lage der Verzerrungen sind also verschieden (hängen ab von was?).

Was diskutiert wird:
- Halbleitereigenschaften (Dioden- Doppeldiodenfunktion)
- Tunneleffekt
... phänomenologische Erklärungen

Gibt es eine systematische Abhandlung dazu?


Gruss,
Reinhard

Hallo Michael,

grundsätzlich kann ich zwar Staub in diesem Fall nicht ausschliessen, ich hatte aber andere Geräte, wo ich das aufgrund der geschlossenen Schalterbauart würde. Ich möchte mich auch nicht auf die Bezeichnung "Wackelkontakt" einlassen wollen. Darunter verstehe ich was anderes!

In diesem Fall war der Klirr und die Pegelsenke reproduzierbar - auch nach wiederholter Schalterbetätigung, wäre also mit Wackelkontakt nicht zutreffend beschrieben. Es muss sich schon um einen festen, durchgängigen leitfähigen Film auf den Kontakten handeln, nur dass der Film kein reguläres metallisches Leitvermögen, aber doch Leitvermögen zeigt. Auf versilberten Kontakten - wie sie weitgehend üblich sind - bildet sich an der Luft ein fester dunkler Film aus Silbersulfid, der auch so haltbar ist, dass mehrfache Schaltvorgänge ihm nichts anhaben. Andererseits ist die Isolationswirkung nicht so gross, dass kein Strom mehr fliesst. Ich spreche hier ja ausdrücklich nicht von Kontakten die durch gewöhnlichen Hausschmutz einfach nur verdreckt sind und deshalb unterbrechen. Damit hätte ich so reproduzierbare Messungen wie ich sie gezeigt habe, nicht hinbekommen.

Offenbar gibt es in Punkto Erkenntnisse zu diesem Problem wenig Publiziertes. Das Thema ist vielleicht der Wissenschaft nicht hochfliegend genug, da ja praktisch durch Reinigung lösbar?

Das Verstärkerbuch von Self zeigt zwar einen ähnliche Messung an Relaiskontakten (Abb. 17.22), lässt sich aber nicht über die Entstehung des Klirrs hinreichend aus.

Gruss,
Reinhard

Hallo Achim, Michael,

ja ich meinte tatsächlich den Zustand, den man gemeinhin auch als "angelaufene Kontaktfläche" beschreiben könnte. Also die ganzflächige Oxidation (Cu) bzw. Sulfidierung (Ag). Dieser Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass es keine temporäre Unterbrechung gibt, kein Knacken und dieser Zustand solange stabil und reproduzierbar ist, wie die Korrosionsschicht mechanisch nicht abgerieben wird.

Jeder kennt das von Silberbesteck. Angelaufenes Silber oder oxidiertes (oberflächlich dunkel gewordenes) Kupfer bekommt man nicht durch Reiben mit einem Tuch wieder silberglänzend bzw. metallich kupferglänzend. Die dunkle Ag-Sulfid- bzw. Cu-II oxidschicht haftet sehr fest. Bei Silber erfolgt die Reinigung am besten in einem sog "Silberbad" (oder Kochsalzlösung mit darin eingetauchter Alu-Folie) durch einen chemischen Reduktionsprozess , gefolgt von mechanischer Politur.

Diese Schichten geben dem Kontakt veränderte Eigenschaften. Der Kontakt zeigt zusätzlich zu erhöhtem Kontaktwiderstanddie Eigenschaft eines nichtlinearen Widerstands. Und das erzeugt die Obertöne. Ausserdem nimmt mit zunehmender Temperatur der elektrische Widerstand der Silbersulfidchicht ab, d.h. sie ist ein Halbleiter (n-Typ).

Nach der Reinigung (Entfernung der Schicht) verschwindet der Übergangswiderstand, das kannst Du ja an meinen Messkurven sehen. Die Kapazität habe ich nicht gemessen, aber sie muss vorhanden sein, denn wir haben es ja mit dem Sandwichsystem Metall/Ag-Sulfid (Halbleiter)/Metall zu tun. Sie muss notgedrungen mit der Reinigung auch verschwinden.

Dazu findet sich (R. Bauer; Sulfide Corrosion of Silver Contacts during Satellite Storage; March 1988, The Aerospace Corporation, El Segundo, CA):



Das beschreibt nur die Tatsache selbst. Einen Erklärungsversuch habe ich nur hier gefunden:

Electrical Characteristics of Contacts Contaminated with Silver Sulfide Film
G. Russ
Bell Labs., Inc.
IEEE Transactions on Parts Materials and Packaging 01/1971; DOI: 10.1109/TPMP.1970.1136268
Source: IEEE Xplore

ABSTRACT
Frequently the electrical performance of silver contacts is impaired by the unavoidable growth of a sulfide film on the mating contact surfaces. In the case where one or both of the electrodes are silver, or partly silver, and a silver sulfide film is formed on one or both of the electrodes, the electrical performance is greatly deteriorated and is among the most complex found on contaminated contacts. A recent study of the electrical performance of various sulfided contacts is reported that showed that they are characterized by an increased contact resistance that is dependent on the voltage polarity, by a nonohmic relationship between the contact voltage and current, and by a resistance that changes with time. A theory is proposed to account for the observations made with these contacts that is based on the semiconduction properties of silver sulfide, the high mobility of positive silver ions in silver sulfide, the tunnel effect, the widening of established conduction channels through the film by electrical forces (B fritting), and the crystal structure of silver sulfide, which can be found in either one of two forms depending on its temperature.


Gruss,
Reinhard

Hallo Michael,

ja der Artikel sollte was zur Sache erhellen können.

Ein praktisches Problem habe ich nicht. Wie ich sagte, nach der Kontaktreinigung mit Kontakt 61 und mehrfachem Schalten war ALLES WIEDER BESTENS. (Ohne K61 konnte ich aber zigmal schalten und der Klirr und Übergangswiderstand blieb. Über Jahrzehnte (20 Jahre) kann offenbar eine ziemlich dicke Schicht auf den Kontaktflächen wachsen, die durch ein paarmal hin- und herschalten nicht aufgebrochen wird.

Mir ging es um die Erklärung - warum nichtlineares Verhalten (nicht-ohmscher Widerstand)? Warum nur k2 (und nicht k3, k4,....) usw. ,eben Fachwissen, nicht praktische Lösung in diesem Fall, die war ja trivial, das Fachwissen ist es hier nicht.

Gruss,
Reinhard

Hallo Achim,

ja klar, aber Missverständnis - das war nicht die von mir angepeilte Fragestellung. Es ging ja nicht um DIESEN Schalter (der war nur ein Beispiel). Es gab auch keine Frage, wie das Problem gelöst wird - es war ja gelöst - trivial. Es ging um vertieftes Fachwissen (über Wackelkontakt und Durchbruch und Staub auf den Kontaktflächen hinaus).

Was und wie an der Oberfläche entsteht, hatte ich angegeben, es ist publiziert, woraus Schalterkontaktflächen und woraus die Korrosionsschichten bestehen.

Meine Frage geht also eigentlich an den Festkörperphysiker (ein Chemiker, zu der Zunft gehöre ich auch, weiss zwar um chemische Veränderungen aber eher weniger zur Physik von Leitungsvorgängen in Halbleitergittern).

Ist ja nun durch Auffinden der Arbeit von Russ/Bell Labs beantwortet.

Gruss,
Reinhard

Hallo Michael,

dass die höheren Terme leicht eine Grössenordnung kleiner sind,.... ja so einen Abfall über k2, k3, k4,... kann man in anderem Zusammenhang ja oft beobachten. Ich hätte in dem Fall aber nicht geschrieben, dass ich praktisch nur k2 finde, also THD mit k2 identisch ist. Das war schon ungewöhnlich auffällig.

Wegen des Tunneleffekts für die Erklärung warum der Strom die dünne Isolationsschicht ohne Durchschlag durchdringen kann, scheint nicht k2 sondern k3 erwartet zu werden:


E. Takano, Sendai, Japan;
DOI: 10.1109/HOLM.1999.795939 Conference: Electrical Contacts, 1999., Proceedings of the Forty-Fifth IEEE Holm Conference
Source: IEEE Xplore

ABSTRACT Harmonic analyses and measurements of the tunneling currents through a thin insulating film between two electrodes have been conducted. The equation for tunneling current derived by J.G. Simmons was analyzed by Fourier expansion, and a numerical evaluation of the third harmonic ratio was performed. The theoretical third harmonic ratio was determined to be a function of sψ01/2 (s is film thickness, ψ0 is work function) and to fall between -40 and -83 dB when s was in the range of practical importance (0.4 to 2.0 nm) and ψ0 was between 1 and 4 eV. Experiments on practical contacts (95Au-5Ni) indicated an actual third harmonic ratio between -50 and -130 dB. Contact resistance was measured for copper contacts with a thin insulating film. A small temperature coefficient for resistivity proved that the tunnel effect was contributing to the measurements. It was shown that the harmonic measurement could clearly detect the film, which could further deteriorate the contact performance by corrosion


Gruss,
Reinhard