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

      Hallo Reinhard,

      ich stelle mir solche korrodierte Kontakte als Wackelkontakte vor, die in gewisser Weise Eigenschaften von spannungsabhängigen Widerständen haben, wobei die Funktion des Widerstandes von der Spannung nicht stetig, sondern sprunghaft und teils auch chaotisch erfolgt.
      Man kennt das ja: HiFi Verstärker, typischerweise Vorverstärker mit Kontaktproblemen, bei geringer Lautstärke stumm oder ganz leise, bei höheren Pegeln plötzlich ein Durchbruch zu normaler Lautstärke, als sei alles in Ordnung. Dann kommt eine Passage mit Pianissimo, die Lautstärke bricht wieder ein. Dass so ein "Bauteil" Verzerrungen erzeugt, liegt auf der Hand.

      Hier

      http://de.wikipedia.org/wiki/Varistor

      steht unter "Funktionsweise" so ungefähr, wie ich mir das vorstelle. Nur passiert das im Varistor definiert, während ein schlechter Kontakt jede Menge Zufallseinflüsse hat.
      Achim

      Den Effekt Varistor habe ich schon häufiger beobachtet!

      Ich arbeite sehr gern mit dem Komponententester von HAMEG, wenn ich auf Fehlersuche bin. Liegen die Messspitzen irgendwo, z.B. in der Schublade mit dem Werkzeug, sieht man manchmal recht interessante Figuren auf dem Schirm, wenn sich zufällig eine leitende Verbindung ergibt. Meist sind es Kennlinien Varistor, leichte Halbleitereffekte hatte ich auch schon mal.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com

      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

      Lieber Reinhard,

      sehr schoene Dokumentation -- danke ! Eine Frage dazu noch: Koennen auch normale
      Verunreinigungen (Staub etc.) mit im Spiel sein ? Oder ein angefressener Kontakt ?

      Ich kenne diese "Wackelkontakte in Schalterform" aus vielen Geraeten, habe aber sehr oft
      beobachtet, dass dieser Effekt viel haeufiger und staerker auftritt in Geraeten, die (stark)
      nikotinbelastet sind. Beim Oeffnen von Schaltern habe ich dann oft einen Belag auf den
      Kontakten gehabt (die Schalter sind ja meist mehr oder weniger offen), der sich in guten
      Faellen mit Wattestaebchen und Isoprop entfernen liess (manchmal besser Waschbenzin)
      und ein braun gefaerbtes Staebchen zurueckliess (also vermutlich etwas Teer dabei).

      In schlimmen Faellen hatte ich auch schon regelrecht zerfressene Kontaktoberflaechen,
      woraus ich geschlossen habe, dass hier in unguenstigen Faellen ein chemischer Prozess
      ablaeuft, der die Oberflaeche angreift. Derlei habe ich in nikotinfreien Geraeten desselben
      Typs nie gesehen.

      Besten Gruss,

      Michael

      Hallo,

      in der Hochspannungstechnik, bei der Blitzsimulation haben wir grundsätzlich geschlossene Schalter und Relais verwenden müssen. Die Kontakte waren quecksilberbenetzt, aus zwei Gründen:

      - möglichst niedriger Übergangswiderstand
      - Ausschluß von Kontaktprellen (tödlich in der HS-Technik)

      Ich weiß, dass es solchen Schalter auch für NV-Anwendungen gab, allerdings nicht ganz billig. Damit wäre aber das Problem auf Dauer gelöst.

      Gruß, Dieter

      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

      Lieber Reinhard,

      OK -- verstehe. Klingt in der Tat klar nach einer festen Schicht, nicht nach Dreck plus ein
      wenig Korrosion. Silbersulfid ist da haeufig anzutreffen, das passt.

      Das faellt dann am ehesten unter Ladungstraegertransport durch Grenzschichten. Da koennte
      es schon etwas geben, ein Materialwissenschaftler muesste dazu mehr wissen. Es hat ja auch
      ein wenig von einem "Metall-Isolator-Uebergang", dazu gibt es eine Menge Arbeiten. Die werden
      vielleicht nicht so sehr zu diesem speziellen Fall passen, aber was da im Prinzip passiert, ist
      gut untersucht.

      Einige Firmen, die ihr Geld mit Kontakten aller Art verdienen, werden auch mehr dazu wissen.
      Phoenix etwa, aber auch Firmen wie WBT in Essen. Dort machen sie Untersuchungen zur
      genauen Struktur der Trennflaeche zwischen 2 Kontakten, aber vermutlich mit Schwerpunkt
      auf Edelmetallkontakten.

      Besten Gruss,

      Michael

      Nachtrag: Dass Silberkontakte speziell in Gegenwart von Schwefelverbindungen nicht
      langlebig sind, ist bekannt. Ansonsten findet man noch einiges, wenn man nach
      Leitfaehigkeit von Silbersulfid sucht (was eigentlich ein Isolator ist).

      Hallo Reinhard,

      da meinst Du in der Tat etwas anderes, als ich.
      Bei mir wird ein Schaltkontakt auffällig, wenn er temporär Unterbrechungen, Knack- oder Krachgeräusche aufweist und damit instabil ist, sprich, wenn er die Funktion der Schaltung stört.

      Die von Dir dokumentierte Situationen könnten davon unabhängig auftreten, oder Vorstufen eklatanterer Ausfälle in meinem Sinn sein.
      Da die Verhältnisse stabil sind, wäre es doch interessant, einmal Übergangswiderstand und Kapazität vor und nach einer Reinigung zu messen.
      Schwierig wird es bei vollständig gekapselten Schaltern, die eine Aussage darüber, ob sie noch die Werte des Neuzustands haben schwierig oder gar unmöglich machen, weil man den Zustand der Kontaktflächen nicht sieht und sie auch nicht ohne weiteres reinigen kann.

      Aus den Erfahrungen in der Fernsehtechnik (Tuner bzw. Kanalwähler mit mechanischen Schaltkontakten) weiß ich noch, WIE heikel der genaue Zustand von Schaltkontakten sein kann. Dort wirkten sich auch die von Dir beschriebenen Veränderungen gleich dramatisch aus.

      Leider gibt es im HiFi Bereich auch Fälle, wo eine nachhaltige Reinigung bzw. Reparatur von Eingangswahlschaltern infolge mangelnder Verfügbarkeit von Ersatzteilen gar nicht möglich ist. Da hilft oft nur eine Ersatzschaltung mit hochwertigen Reed-Relais. Dann ist dauerhaft Ruhe.
      Achim

      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

      Moin Reinhard,

      das klingt nach dem richtigen Artikel, ich komme da aber momentan nicht dran. Hast Du
      die Quelle selber auch ? Passender als dies wird's kaum werden ...

      Normal ist das ja so, dass diese Schichten eher duenn sind, und bei regelmaessigem Betrieb
      dann mechanisch doch durchbrochen werden. Ansonsten muss man chemisch reinigen, so
      dass die Schicht sich aufloest, und hinterher im Ultraschallbad gruendlich die Chemiereste
      wieder entfernen ... damit bin ich bislang eigentlich meist sehr gut (auch laengerfristig)
      gefahren.

      Besten Gruss, und Dank fuer's Einstellen,

      Michael

      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 Reinhard,

      wenn man da wirklich wissenschaftlich herangehen will, kommt man zuerst einmal nicht umhin, genau zu bestimmen, um welches Kontaktmaterial es sich - auf beiden Seiten - handelt. Reines Silber ist es garantiert nicht, Legierungen kommen in Frage, galvanisch aufgebrachte Schichten an der Oberfläche und dann ist zu klären, ob durch die jahrzehntelange Betätigung überhaupt noch das ursprüngliche Metall den Kontakt macht, oder ob es an der Schleifbahn schon durchgeschliffen ist. Gab es chemische Schmiermittel, die eine Reaktion hervorgerufen haben können?

      Also: Ab mit dem Schalter ins Labor, zerlegen, Legierungen bestimmen, Analysen, Schnitte machen, unters Rastermikroskop...

      Und dann käme die Frage an die (Elektro-) Chemiker: Welche Veränderungen an der Oberfläche können bei einer angenommenen Atmosphäre (Schwefel, Tabakrauch, Feuchte...) entstanden sein und wie wirken sie sich bei Wechselspannung aus?

      Alles andere sind Mutmaßungen, die im vorliegenden Fall zutreffen können, aber nicht müssen.
      Achim

      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

      Moin Reinhard,

      hmm, warum K2. Meine erste Reaktion waere, dass man bei der Entwicklung der Stoerung
      in eine Fourier-Reihe natuerlich alle harmonischen bekommt, aber normalerweise die erste
      Oberwelle am staerksten. Die Konvergenzrate ist bei so etwas meist sehr schnell, so dass
      die hoeheren Terme oft gleich mal eine Groessenordnung kleiner sind. Die wuerdest Du dann
      doch kaum noch sehen ...

      Anders ausgedrueckt: Man muss sich schon bemuehen, wenn man in der Reihe den K2
      unterdruecken will. Das passiert in elektronischen Schaltungen aufgrund bestimmter
      Bedingungen (z.B. Symmetrien, auch approximativ), die hier zunaechst einmal nicht zu
      erwarten sind. Soll heissen, wenn keine besonderen Umstaende vorliegen, sollte man doch
      immer mit Hauptanteil K2 rechnen (?).

      So gesehen waere die Frage, ob das ueberhaupt spezifisch ist (ich vermute eher nicht).

      Besten Gruss,

      Michael

      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