Anwendungshinweise zu Relaistechnologien

Dieser Anwendungshinweis wurde aufgrund der zahlreichen Anwendungsprobleme erstellt, die aus einer unsachgemäßen Relaisspulenbeschaltung resultieren. Das typische Symptom ist ein zufälliges „Heftschweißen“ der Schließerkontakte, wenn eine induktive Last oder eine Lampenlast mit hohem Einschaltstrom geschaltet wird.

Anwendungen in der Automobilindustrie können in ohmsche Lasten, kapazitive Lasten und induktive Lasten klassifiziert werden. Die Stromkurve der ohmschen Lasten wird durch die Lastspannung und den Lastwiderstand angegeben. Kapazitive Lasten weisen einen hohen Einschaltstrom und einen niedrigen Dauerstrom auf. Daher werden Lampen zu den kapazitiven Lasten gezählt, da der kalte Heizfaden einen deutlich geringeren Widerstand aufweist als der heiße. Induktive Lasten sind durch einen exponentiellen Stromanstieg und einen beachtlichen Ausschaltlichtbogen gekennzeichnet, der durch die Entmagnetisierung des magnetischen Stromkreises der Last induziert wird. Stromversorgungsrelais (Klemmenrelais) können eine Mischung aus verschiedenen Lasten schalten bzw. zuführen.

Ein Nulldurchgang-Halbleiterrelais ist die womöglich ungünstigste Schaltmethode bei einem Transformator oder einer hoch induktiven Last. Neueren Erkenntnissen zufolge kann die Nulldurchgang-Einschaltung solcher Lasten zu einem Stoßstrom führen, der möglicherweise das 10- bis 40-fache des Dauerstroms beträgt. Dabei verursacht das Einschalten bei Spitzenspannung nur einen geringen bis gar keinen Stoßstrom.

Dieser Anwendungshinweis behandelt Probleme hinsichtlich der Methoden, mit denen elektromagnetische Relaisspulen entregt werden, speziell bei Verwendung eines Halbleiterschalters, sowie deren Auswirkung auf die Lebensdauer des Relais.

Relais- und Schützspulen werden normalerweise mit Kupferdraht gewickelt. Kupferdraht weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, wie in den Formeln und dem Diagramm weiter unten verdeutlicht wird. Die meisten Spulen werden außerdem durch eine relativ feste Spannung gespeist. Unter der Voraussetzung, dass die Spannung konstant bleibt, führt eine steigende Temperatur somit zu einem höheren Spulenwiderstand und einem geringeren Spulenstrom.

Glühlampen, induktive Lasten wie Motoren und Magnetspulen, kapazitive Lasten wie elektronische Vorschaltgeräte und Schaltnetzteile usw. können beim Erregen sehr hohe Einschaltströme aufweisen. Diese können mehr als das 10-fache des Dauerstroms betragen und sind besonders problematisch, wenn der Kontaktschluss zufällig nahe am Spitzenwert der Spannungssinuswelle erfolgt. Oft kommt es durch solch übermäßige Stoßströme zu einem Verschweißen der Kontakte. Relais für solche Anwendungen müssen normalerweise überdimensioniert oder speziell konstruiert sein, damit sie dem im Verhältnis zum eher geringen Dauerstrom hohen Einschaltstrom standhalten. Dies führt normalerweise zu zusätzlichen Kontrollkosten und einem erhöhten Platzbedarf.

Was genau ist ein Lichtbogen? Wie wird er gezündet, und wodurch wird er gelöscht? Wie wirkt sich ein Lichtbogen auf die Lebensdauer von Relaiskontakten aus? Diese und weitere Fragen werden nachfolgend besprochen. Wir hoffen, dass Sie dadurch besser verstehen, wie Sie die längstmögliche Lebensdauer für Relaiskontakte dieser Art erzielen.

Oft ist es wünschenswert, den Gesamtverbrauch des Steuerstroms sowie die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Dafür kann beispielsweise der Stromverbrauch der Relaisspule reduziert werden. Im Folgenden werden zwei Methoden erläutert, mit denen dies bei DC-Spulenrelais erreicht werden kann. Es sollte jedoch beachtet werden, dass bei einer Reduzierung der Spulenleistung, egal mit welcher Methode, das Relais nicht mehr so gut den Sitz des Relaisankers aufrechterhalten kann und so die Stoß- und Vibrationstoleranz des Relais sinkt.

Benutzer von Relais wollen häufig gerne die Induktivität der verwendeten Relaisspule kennen, um die Energie bestimmen zu können, die von der Spule beim Entregen freigegeben wird.

Eine falsche Handhabung und Montage von Leiterplattenrelais kann die Betriebseigenschaften des Relais beeinträchtigen und zu einer frühzeitigen Fehlfunktion führen. Außerdem spielen empfohlene Leiterbreiten und Reinigungsverfahren der Leiterplatte eine wichtige Rolle, um sicherzustellen, dass die Baugruppe lange und zuverlässig betrieben werden kann.

Eine Relaisspule ist ein Kupferdraht, der viele Male um einen Spulenträger mit einem Eisenkern gewickelt ist. Wenn eine ausreichend hohe Spannung auf die Spule einwirkt, entwickeln die Spule und der Kern eine Magnetkraft, die den Relaisanker anzieht. Der Anker wiederum steuert die Kontaktbewegung. Je nach Gesamtlänge des Leiters und dessen Querschnittbereich übt die Spule einen bestimmten Widerstand auf den Fluss des elektrischen Stroms aus.

In diesem Anwendungshinweis können sich Verweise auf „Relais“ im Allgemeinen auch auf „Schütz(e)“ beziehen. Ebenso beziehen sich nur wenige Inhalte speziell auf die Anwendung von „Relais für den Telekommunikationsbereich“. Generell gilt die Anforderung an einen geeigneten Spulenantrieb für Schütze und Telekommunikationssrelais gleichermaßen, mit der Ausnahme, dass ein erhöhter Temperaturanstieg im Innern und an der Spule aufgrund von Kontaktlast bei Telekommunikationsanwendungen selten ein Problem darstellt.

Relaiskontakte sind in einer Vielzahl von Metallen und Legierungen, Größen und Ausführungen verfügbar. So etwas wie einen Universalkontakt gibt es nicht. Benutzer von Relais sollten Material, Leistung und Art der Kontakte möglichst präzise gemäß den Anforderungen der jeweiligen Anwendung auswählen. Andernfalls können Probleme oder Fehlfunktionen bei den Kontakten auftreten.

Relais und Temperatur stehen in engem Zusammenhang. Wenn ein Relais unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt ist, ändern sich die Betriebseigenschaften jeweils. Die auffälligsten Änderungen treten bei der Ansprechspannung und dem Spulenwiderstand auf. Die Spulenwicklung eines Relais besteht aus Kupferdraht. Deshalb variiert der Spulenwiderstand mit dem Temperaturkoeffizienten von Kupfer.

Wenn nicht anderweitig von TE Engineering ausdrücklich empfohlen, müssen alle abgedichteten Relais (mit einer vom Hersteller bereitgestellten Entlüftungsvorrichtung) nach der Leiterplattenmontage und Reinigung sowie vor der elektrischen Nutzung entlüftet werden, damit die veröffentlichten Nennwerte weiterhin gelten.