Whitepaper: Geeigneter Spulenantrieb: Wichtig für eine gute Leistung von Relais/Schütz

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.

Der richtige Spulenantrieb ist für den korrekten Relaisbetrieb und die gute Last-/Lebensdauerleistung von entscheidender Bedeutung. Damit ein Relais (oder Schütz) ordnungsgemäß funktioniert, muss sichergestellt werden, dass die Spule ordnungsgemäß angesteuert wird, sodass die Kontakte korrekt schließen und geschlossen bleiben und der Anker unter allen Bedingungen, die bei der Anwendung auftreten können, vollständig sitzt und eingerastet bleibt.

Unabhängig davon, ob es sich bei dem Spulentyp um Gleich- oder Wechselstrom handelt, wird bei allen Relaiskontaktwerten für die AC-Lebensdauer angenommen, dass sie in Bezug auf den AC-Netzzyklus zufällig geschaltet werden, gleichmäßig über die Zeit über den gesamten Zyklus verteilt sind und mit gleicher Wahrscheinlichkeit sowohl in positiven als auch in negativen Zyklen schalten. Es ist darauf zu achten, dass die Steuerungshardware und -software nicht versehentlich eine Zeilensynchronisation des Kontaktöffnens und/oder -schließens verursacht – was zu ungleichmäßigem oder beschleunigtem Kontaktverschleiß und vorzeitigem Ausfall führt.

Relais sind Elektromagnete, und die Stärke des Magnetfeldes, das sie betätigt, ist eine Funktion der Amperewindungen (AT) – (d. h. der Anzahl der Drahtwindungen multipliziert mit dem Strom, der durch diesen Draht fließt). Da sich die Anzahl der „Windungen“ nach dem Wickeln nicht ändert, ist die einzige Anwendungsgröße der Spulenstrom.

DC-Spulenstrom wird ausschließlich durch die angewandte Spannung und den Widerstand der Spule bestimmt. Wenn die Spannung abnimmt oder der Widerstand steigt, nimmt der Spulenstrom ab – was zu einem niedrigeren AT und damit zu einer reduzierten Magnetkraft in der Spule führt.

Der AC-Spulenstrom wird in ähnlicher Weise von der angelegten Spannung und der Spulenimpedanz beeinflusst – aber die Impedanz(Z) ist definiert als Z=Quadratwurzel(R² + XL ² ), sodass Änderungen des Spulenwiderstands allein eine etwas weniger direkte Auswirkung auf AC-Spulen haben als auf DC-Spulen.

Die angelegte Spulenspannung variiert ebenfalls, da sich die Stromversorgung im Laufe der Zeit ändert. Der Steuerungsentwickler muss den Eingangsspannungsbereich definieren, über den die Steuerung garantiert funktioniert (in der Regel +10 %/-20 % des Nennwerts) und dann im Steuerungsentwurf kompensieren, um den ordnungsgemäßen Betrieb über diesen Spannungsbereich zu gewährleisten.

Es wird nicht nur Abweichungen in der angelegten Spannung geben, sondern der Relaisspulenwiderstand hat ähnliche Variationen. Erstens hat der Spulenwiderstand eine Fertigungstoleranz (typischerweise +/-5 % oder +/-10 % bei Raumtemperatur). Zweitens hat der Widerstand des Spulendrahtes auch einen positiven Temperaturkoeffizienten, sodass der Spulenwiderstand mit zunehmender Drahttemperatur mit abnehmender Drahttemperatur steigt oder abnimmt. Dies wird im Folgenden grafisch und auch ausführlicher in der Anwendungsnotiz „Spulenspannung und Temperaturkompensation“ dargestellt.

Spulenwiderstand und Temperatur im Vergleich (grafisch):

• Spulenwiderstand – Der DC-Widerstand der Relaisspule wird in der Regel bei „Raumtemperatur“ (typischerweise 23 °C) angegeben. Siehe auch Anwendungshinweis „Spulenspannung und Temperaturkompensation“.
• Einschaltspannung (Pull-In) – Die Spannung, bei der die Relaisarmatur gegen den Spulenkern gesetzt werden muss, indem man davon ausgeht, dass er voll betätigt ist.
• Ausfallspannung (Drop-Out) – Die angegebene Spannung, bei der oder über der die Relaisarmatur in ihre unbetätigte Position zurückversetzt werden muss.
• Haltespannung – Die Spannung, bei der der Anker nicht spürbar aus seiner voll betätigten Position bewegt werden muss, nachdem er elektrisch mit Strom versorgt wurde. (Beachten Sie, dass dies normalerweise nicht auf Datenblättern angegeben oder in der Fertigung kontrolliert wird) – Mehr dazu weiter unten im Abschnitt zur Reduzierung der Spulenleistung und auch in der Anwendungsnotiz „Optionen zur Leistungsreduzierung von DC-Relaisspulen“.

(Hinweis: Darüber hinaus wird immer davon ausgegangen, dass DC-Spulenrelais von gut gefiltertem Gleichstrom angetrieben werden – nicht von ungefilterten Halb- oder Ganzwellen, sofern nicht ausdrücklich erwähnt. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass das Datenblatt Informationen bei Raumtemperatur angibt (in der Regel 23 °C, sofern nicht anders angegeben).

Die Diode CR1 dient dazu, die umgekehrte „Kickback“-Spannung von der Relaisspule K1 abzuschalten, um den Treiber Q1 beim Ausschalten zu schützen. Sie hat allerdings auch die Wirkung, den Kontaktabfall zu verlangsamen, was die Lebensdauer der Last verschlechtern kann. Zener Z1 ist optional, aber wenn sie verwendet wird, reduziert sie den Ausfallverlangsamungseffekt von CR1. Die Zenerspannung Z1 wird bei nicht mehr als 80 % der PIV des Transistors Q1 ausgewählt.

Wenn ungefilterte Halbwellen- oder Ganzwellen-Gleichstromspulenleistung verwendet werden soll, muss die Diode CR1 über die Spule geschaltet werden (und Z1 darf nicht verwendet werden), damit die Energie zur Spule zurückgeführt wird und sie die Niederspannungsanteile der Leistungswellenform durchlaufen kann, ohne den Anker zu lösen, zu summen usw. Lassen Sie sich von TE Relay Products Engineering beraten. Die Bedingungen variieren erheblich je nach Relais-/Schütztyp und Schaltungsdesign. Einige Relais vertragen dies gut, andere überhaupt nicht. 

Minimale Versorgungsspannung und maximaler Spulenwiderstand bei höchster Umgebungstemperatur mit der gleichzeitig höchsten Kontaktstrombelastung stellen die schlimmsten Betriebsbedingungen für ein Relais dar. Induktivität geteilt durch Widerstand (L/R) definiert die Ladung und Entladungsrate des Stroms in Relaisspulen und beeinflusst somit deren Betriebszeit (und Freisetzungszeit, wenn Diode oder Dioden-Zener gedämpft werden). L/R variiert auch nach Relaistyp, Spulenspannung und Umgebungstemperatur. In ähnlicher Weise führt dies zu Schwankungen in der Betriebs- und Freigabezeit sowie zu einer Toleranz gegenüber Halb- und Ganzwellenoperationen, die alle in jeder Anwendung berücksichtigt werden müssen.

Es ist wichtig, Spannungsverluste im Spulenkreis aufgrund von Seriendioden, Transistoren (insbesondere Darlington) usw. zu subtrahieren und zu korrigieren, sodass die minimale Spannung, die tatsächlich auf die Spule angewendet wird, weiterhin dem Bedarf entspricht.

Die Selbsterhitzung über I² R-Verluste im Relais aufgrund von Strom durch den Spulendraht und Laststrom durch die Kontaktarme und Klemmen führen zu einer zusätzlichen Spulen- und Innenteilerwärmung – zusätzlich zu etwaigen Erhöhungen der Umgebungstemperatur allein). All dies muss bei der Berechnung der tatsächlichen Spulentemperatur berücksichtigt werden.

Der Konstrukteur sollte die Eingangsspannung immer korrigieren, um den erhöhten Spulenwiderstand, Schaltungsverluste und verringerte AT so einzustellen, dass im schlimmsten Fall noch genügend AT vorhanden ist, um das Relais zuverlässig zu bedienen und den Anker vollständig zu setzen, sodass volle Kontaktkraft angewendet wird. Wenn der Kontakt geschlossen ist, aber der Anker nicht vollständig sitzt, ist die Kontaktkraft gering. So können die Kontakte bei Anwendung hoher Ströme einer Überhitzung ausgesetzt und anfällig für Heftschweißen sein.

• Hinweis: AC-Spulen werden auf ähnliche Weise korrigiert, wobei zu beachten ist, dass die Widerstandsänderung die AC-Spulenimpedanz (und damit den Spulenstrom) durch die Formel Z=Quadratwurzel(R2 + XL 2 ) und nicht linear wie bei DC-Spulen beeinflusst.

Eine ausführliche Erläuterung dieser Probleme finden Sie im Anwendungshinweis „Spulenspannung und Temperaturkompensation“.

• Die maximale Spulentemperatur (berechnet gemäß Anwendungshinweis „Spulenspannung und Temperaturkompensation“) bei Spulennennspannung, maximaler Last und maximaler Umgebungstemperatur sollte die von UL oder CSA für die „Isoliertemperaturklasse“ (A, B, F oder H – (105 °C, 130 °C, 155 °C bzw. 180 °C) des ausgewählten Relais zugelassene maximale Temperatur nicht überschreiten. 
• Wenn die Relais in der Endmontage stark belastet und dicht verpackt sind oder sich in der Nähe anderer wärmeerzeugender Komponenten befinden, ist mit einem höheren Temperaturanstieg der Spulen zu rechnen, was ähnlich definiert und kompensiert werden muss.
• Alle zuvor angesprochenen Wärmequellen müssen berücksichtigt werden, damit Spulen ordnungsgemäß angetrieben werden, ohne dass die Grenzwerte des Isolationssystems überschritten werden.
• Da Relais Elektromagnete sind, sind sie anfällig für externe Magnetfelder von in der Nähe befindlichen Transformatoren, anderen Relais oder Schützen, Hochstromleitern usw. – all diese Faktoren können die Betriebs- und Freigabeeigenschaften des Relais beeinflussen. Ebenso können Relais und Schütze die Leistung anderer magnetisch empfindlicher Komponenten in ihrer Nähe beeinflussen.
• Der ultimative Test liegt in der Endmontage, wenn das Relais einer maximalen Belastung, maximalen Umgebungstemperatur und minimaler Netzspannung ausgesetzt ist. Unter diesen Bedingungen sollte der Temperaturanstieg der Spule (und damit die Widerstandsänderung) neu bewertet werden, um sicherzustellen, dass immer noch ein ausreichender Sicherheitsfaktor vorhanden ist, damit das Relais bei niedriger Versorgungsspannung ohne Überhitzung bei maximaler Versorgungsspannung, Laststrom und Umgebungstemperatur zuverlässig betrieben werden kann.
• Merkmale, die für AC-Spulen einzigartig sind, werden später in diesem Hinweis ausführlicher behandelt.
• Bei DC-Spulen muss die Wellenform des Spulenstroms während des Ersten Betriebs wie Abbildung „A“ und nicht wie Abbildung „B“ aussehen.

Wenn der Spulenstromübergang wie Abbildung „B“ aussieht (was darauf hinweist, dass der Anker kurzzeitig „angehalten“ hat und nicht fest eingerastet ist), stimmt etwas nicht mit dem Antriebskreis, der korrigiert werden muss.

DC-Stützrelais mit remanenten Magnetsystemen sind spezielle DC-Spulenrelais, die nur für kurze Zeit mit Strom versorgt werden müssen, um sie zu „SETZEN“ und dann wieder „ZURÜCKZUSETZEN“. Diese Spulen sind normalerweise nicht dazu bestimmt, kontinuierlich im Set- oder Reset-Modus mit Strom versorgt zu werden.

• Alle vorherigen Kommentare über den richtigen Spulenantrieb von DC-Relais und die Korrektur für erhöhte Umgebungstemperatur usw. gelten mit Ausnahme der Spulenerhitzung aufgrund der angewandten Spulenspannung.
• Diese Relais haben sowohl für den angelegten Spannungsbereich als auch für die „Einschaltdauer“ viel strengere Anforderungen als monostabile Relais. 

Die SETZ-Spannung sollte normalerweise 120 % der nominalen Nennspannung nicht überschreiten. Die ZURÜCKSETZ-Spannung hingegen sollte niemals 120 % der Nennspannung überschreiten und wird am besten auf maximal 110 % gehalten oder das Risiko, das Magnetsystem „umzukippen“ (ZURÜCKSETZEN, dann wieder EINSTELLEN), erhöht sich. Wenn große Umgebungstemperaturbereiche erforderlich sind, wenden Sie sich bitte zur Unterstützung an TE Relay Products Engineering.

Im Relay-Datenblatt werden minimale EINSTELL- und RÜCKSTELL-Zeitintervalle angegeben. Diese Mindestzeiten sind viel länger als die tatsächliche Zeit, die benötigt wird, um den Kontakt in den entgegengesetzten Zustand zu übertragen. Die zusätzliche Zeit ist notwendig, damit das Magnetsystem bei jedem Schritt entsprechend „aufgeladen“ wird.

• Gleichermaßen werden „Ladepumpe“ oder andere gepulste Spulenantriebssysteme, die Entladekondensatoren als Stromquelle verwenden, nicht empfohlen, da es sehr schwierig ist, einen ausreichenden Strom über das richtige Zeitintervall zum EINSTELLEN oder ZURÜCKSETZEN des Relais aufrechtzuerhalten, ohne die maximale AT zu überschreiten, die das Magnetsystem toleriert. Das gilt insbesondere beim ZURÜCKSETZEN.

Relais und Schütze, die AC-Spulen verwenden, weisen einige wichtige Unterschiede zu den DC-Typen auf. Wegen der sinusförmigen Natur des Wechselstroms:

• Einige AC-Relais neigen dazu, hörbar zu „summen“, obwohl sie richtig funktionieren. Dies kann von Relais zu Relais, Betrieb zu Betrieb und über die Lebensdauer variieren. „Summen“ ist ein hörbarer Ton, der die inneren Teile des Relais oder der Kontakte nicht spürbar bewegt. „Brummen“ oder „Klappern“ ist hingegen lauter und bewegt interne Teile und darf, da es die Leistung stark beeinträchtigt, niemals auftreten.
• Wechselstromrelais können nicht absichtlich auf die Wechselstrom-Sinuswelle synchronisiert werden, weil Teile der Wechselstrom-Sinuswelle nicht genug Energie enthalten, um den Relaismechanismus zu betätigen – es gibt also Punkte, an denen Relais arbeiten und die Auslösezeit einfach nicht richtig funktionieren kann.
• Dieses Phänomen führt auch zu einer größeren Variation der Betriebs- und Auslösungszeiten als bei Gleichstromrelais und häufig zu erhöhtem Anstoßen oder Klappern des Kontakts beziehungsweise der Armaturen. All dies hängt davon ab, wo genau in der Sinuswelle die Spulenleistung zu- oder abgeschaltet wird, und kann sogar zu übermäßigem Anstoßen oder Klappern des Kontakts bei der Erstinbetriebnahme führen.
• Daher haben Wechselstromrelais in der Regel eine niedrigere Bewertung als Gleichstromrelais derselben Familie. Dies liegt daran, dass 1) die Sinuswelle (wie zuvor erläutert) Punkte mit niedriger Energie aufweist, sodass die AC-Relaiskontakte nicht zufällig über den gesamten Zyklus in beiden Polaritäten unterbrechen, und 2) dies zu einer übermäßig hohen Inzidenz des Einschaltens und/oder Unterbrechens von hochenergetischen Teilen der Sinuswelle führen kann. Alle diese Funktionen neigen dazu, Kontaktwerte oder Kontaktlebensdauer auf AC-Spulen-Geräten zu reduzieren.
• AC-Spulenrelais laufen in der Regel heißer als DC-Typen, sodass die maximal zulässige Umgebungstemperatur oft geringer ist als bei DC-Modellen.
• In ähnlicher Weise haben AC-Spulenrelais, die von Triacs oder Back-to-Back-SCRs angetrieben werden, tendenziell eine kürzere Lebensdauer. Solche Geräte können normalerweise auf EIN geschaltet werden, und werden sich zu einem beliebigen Zeitpunkt des Zyklus einschalten. Sie können auch überall AUS geschaltet werden – aber sie werden nicht wirklich ausschalten, bis der Strom durch sie Null erreicht. Dies führt dazu, dass Kontakte die Last an einem fast festen Punkt im Energiezyklus „brechen“. Wenn die "Entriegelungszeit" des Relais dafür sorgt, dass dies in der Nähe des Nullstroms geschieht, ist die Leistung besser als der Durchschnitt. Geschieht dies aber in der Nähe des Spitzenstroms, ist die Leistung viel schlechter. Datenblatt und sicherheitstechnische Lebensdauerangaben basieren auf völlig zufälligen Zyklen in Bezug auf die AC-Sinuswelle (nicht dieser Synchronzustand), sofern in den Berichten nicht anders angegeben.

Manchmal ist es wünschenswert, den Gesamtverbrauch des Steuerstroms sowie die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist Relais mit Arretierungsmechanismen zu verwenden, aber sie sind relativ teuer und können das Relais im Falle eines Stromausfalls in einem unbestimmten Zustand lassen. Eine Alternative besteht darin, den Spulenstromverbrauch bei Standard-DC-Spulenrelais mit einer der folgenden Techniken zu reduzieren.

• PWM (Impulsbreitenmodulation, Pulse Width Modulation) – Bei diesem Schema wird das Gleichstromspulenrelais oder -schütz anfänglich bei der Spulennennspannung oder etwas darüber für ein kurzes Intervall betrieben, um den Relaismechanismus zu betätigen und zu stabilisieren. Die Relaisspule wird dann durch einen rechteckigen Wellenimpulszug mit einer bestimmten Amplitude, Einschaltdauer und Frequenz angesteuert, um das Relais mit weniger zugeführter Leistung im Betriebszustand zu halten.
• Abspann-DC-Spulenantrieb – Wie PWM bedient diese Technik das Relais zunächst mit nominaler DC-Spulenspannung für ein kurzes Intervall, um den Mechanismus zu bedienen und zu stabilisieren. Dann wird die Gleichspannung auf ein niedrigeres Niveau reduziert, um das Relais mit weniger zugeführter Leistung im Betriebszustand zu halten.
• Achtung – Die Verwendung der „Ladepumpe“ und ähnlichen anderen Systemen kann den gleichen Zweck erreichen, aber sie verwenden Lade-/Entladekondensatoren für die Stromversorgung. Die sich daraus ergebende nicht rechteckige Wellenform macht es sehr schwierig sicherzustellen, dass die Relaisspule im richtigen Zeitintervall mit stabiler, richtiger Spulenleistung angewendet wird, um das Relais ordnungsgemäß zu betreiben oder um es bei gleichzeitiger Reduzierung der Spulenleistung ordnungsgemäß eingeschaltet zu halten. Obwohl häufig sie häufig verwendet werden, sind solche Systeme nicht zu empfehlen, da es schwierig ist, einen ordnungsgemäßen Spulenantrieb zu gewährleisten.

Ebenso muss stets daran gedacht werden, dass die Reduzierung der Spulenleistung die Halteleistung der Relaisspule reduziert und somit die Stoß- und Vibrationstoleranz in der Anwendung reduziert.

TE Relay Products Engineering sollte für relaisspezifische Informationen zu all diesen Techniken konsultiert werden. Nicht alle Relais liefern die gleiche Leistung.

• Nulldurchgangssynchronisierung – Es gibt verschiedene Techniken, die DC-Spulenrelais eine bessere Leistung als ihre veröffentlichte Last-/Lebensdauerleistung ermöglichen können (für Wechselstromlasten bei zufälligem Wechsel). Dies beinhaltet normalerweise eine Art Nulldurchgangssynchronisierung des Kontakts mit der Lastspannungswellenform bei „Schließen“ und mit der Laststromwellenform bei „Öffnen“. Wenn dies richtig ausgeführt wird, lassen sich bei Verwendung von ohmschen Lasten, reaktiven Lasten und insbesondere kapazitiven Lasten mit hohem Einschaltstrom und Lampenlasten außergewöhnliche Verbesserungen der Schaltlebensdauer erzielen.

Es gibt auch mehrere Probleme mit der Kontaktleistung, die mit einem potenziell erhöhten Kontaktwiderstand zusammenhängen, wenn sehr genau nahe am Nulldurchgang sowohl im „Schließer“ als auch im „Öffner“ geschaltet wird. Dies liegt daran, dass es keine Selbstreinigung durch das Öffnen von Lichtbögen gibt, um die normalerweise auftretende Kontaktoxidation und Verschmutzung während der Lebensdauer des Relais zu reduzieren.

Dies ist ein von Natur aus komplexer Prozess, der separat und ausführlicher in der Anwendungsnotiz „Verbesserung der Lebensdauer/Kontaktlast“ behandelt wird.

TE Relay Products Engineering sollte für relaisspezifische Informationen zu dieser Technik konsultiert werden. Nicht alle Relais arbeiten auf die gleiche Weise.