Whitepaper: Verbesserung der Lebensdauer/Kontaktlast

(HINWEIS: Gilt nur für DC-Spulen, die AC-Lasten schalten)

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.

Da der Lichtbogen des Öffnerkontakts in der Regel nur dann erlischt, wenn der Hochstromsinus den Nulldurchgang durchläuft und die Polarität umkehrt, muss die Synchronisierung auf dem Nulldurchgang der Spannungswellenformen beim „Einschalten“ und der Stromwellenform beim „Ausschalten“ basieren. Im Falle von Lasten mit einem Leistungsfaktor von 1 (Widerstand, Lampe usw.) gibt es keine Phasenverschiebung, so dass die spannungsbasierte Erfassung des Nulldurchgangs sowohl für die „Einschalt-“ als auch für die „Ausschalt“-Synchronisation verwendet werden kann.

Bei richtiger Implementierung kann die maximale Spitzenstrombelastbarkeit um ca. 8-10X erhöht werden, die Schaltlebensdauer bei einer gegebenen Last kann potenziell um ca. 8-10X erhöht werden und die maximale Last bei einer gegebenen Schaltlebensdauer kann ebenfalls potenziell bis zu 5X oder so erhöht werden (solange sie den maximalen Strom, den das Relais tragen kann, nicht überschreitet).

Selbst bei nicht reaktiven Lasten mit Einheitsleistungsfaktor und geringem Anfangsüberspannungsstrom kann eine signifikante Verbesserung der Lastlebensdauer erreicht werden.

HINWEIS: Siehe auch Vorsichtshinweise zum Schalten von eisenbehafteten induktiven Lasten in den folgenden Abschnitten „Synchronisierung bei Kontaktschluss (Schließer)“ und „Spezielle Überlegungen zum Schließen/Öffnen bei induktiven Lasten“.

(HINWEIS: Gilt nur für DC-Spulen, die AC-Lasten schalten)

Siehe auch „Spezielle Überlegungen zum Schließen/Öffnen bei induktiven Lasten“, nachfolgend.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Relaisleistung beim Schalten einiger Lasttypen durch die Synchronisierung der „Schließer“- und „Öffner“-Zeitpunkte der Kontakte mit der Sinuswelle der Wechselspannung und/oder des Wechselstroms zu verbessern. Dies funktioniert nur bei DC-Spulentypen, da es Teile der AC-Sinuswelle gibt, in denen nicht genügend Energie vorhanden ist, um den Betrieb eines AC-Spulenrelais oder -schützes zu bewirken.

Bei korrekter Implementierung wird die Lebensdauer der Kontakte und insbesondere die Fähigkeit, hohe Einschaltlasten zu bewältigen, deutlich erhöht. Verbesserungen der Einschaltstromkapazität und der Lastschaltlebensdauer um etwa das 10-fache sind oft erreichbar, abhängig von der genauen Implementierung und anderen Faktoren in der spezifischen Anwendung.

Einige dieser Techniken und ihre Vorteile und Einschränkungen werden im Folgenden erläutert:

• Sync bei Kontaktverschluss (Schließen):

Wenn das Schließen des Kontakts auf kurz vor oder kurz nach dem Nulldurchgang der    Spannungswellenform synchronisiert wird, gibt der Relaiskontakt nicht viel Strom oder Spannung ab, so dass eine längere Kontaktlebensdauer erwartet werden kann und eine erhöhte Fähigkeit, Lasten mit hohen Anlaufströmen zu handhaben (da die Spannung und der Strom nach der Sinuswelle von Null an ansteigen, sodass der maximale Spitzenstrom selten während der Zeit gesehen wird, in der der Relaiskontakt schließt und sich stabilisiert).

Dies wird dadurch erreicht, dass die Relaisspule zu einem Zeitpunkt angesteuert wird (versetzt von einem nachfolgenden Nullspannungsdurchgang um die Betriebszeit des Relais), so dass der Relaiskontakt immer kurz vor oder kurz nach dem Nullpunkt "schließt" (normalerweise sind +/- 1 Milli-Sekunde des Nullpunkts akzeptabel und erreichbar).

Da die Schaltzeiten der Relais je nach Relaisfamilie von Relais zu Relais, von Charge zu Charge und über die Lebensdauer des Relais variieren, lässt sich dies am besten mit Hilfe von Mikrocontrollern realisieren, bei denen die tatsächliche Schaltzeit des Relais überwacht und die Offset-Zeit so eingestellt wird, dass sie über einen gleitenden Mittelwert oder 8 bis 10 Schaltspiele sehr genau den Nulldurchgangspunkt trifft. Die Variation der Betriebszeit kann auch minimiert werden, indem die Spule bei 125 % oder 150 % der Nennspannung übersteuert wird (nicht empfohlen, wenn der maximale Nennstrom geschaltet wird). Bei der Timing-Berechnung sollte auch die Rücksprungzeit der Operation berücksichtigt werden.

Die meisten nicht-induktiven Lasten sollten sehr nahe der Nullspannung für maximale Kontaktleistung mit Strom versorgt werden. Dadurch wird der Stromstoß während des Intervalls minimiert, sodass sich der Kontakt schließt und stabilisiert, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Heftschweißens verringert wird. Dies ist besonders bei hohen Einschaltstromlasten wie Glühlampen, elektronischen Lampenvorschaltgeräten, Schaltnetzteilen usw. von entscheidender Bedeutung.

Beispiel 3a zeigt eine Glühlampe, die sehr nahe der Nullspannung eingeschaltet ist, sodass der Strom nach der Wechselsinuswelle hochläuft. Beispiel 3b zeigt die gleiche Last, die bei Spitzenspannung eingeschaltet wird – mit einem daraus resultierenden hohen Einschaltstrom, da an den kalten Lampenheizfaden eine hohe Spannung angelegt wird. Solche hohen Einschaltströme erhöhen das Risiko des Heftschweißens des Kontakts stark, wenn er sich schließt und stabilisiert. In ähnlicher Weise sind hohe Ströme auch bei kapazitiven Lasten üblich, wenn sie in der Nähe der Spitzenspannung geschaltet werden.

• Synchronisieren bei der Kontaktöffnung (Öffnen):

Ähnlich verhält es sich, wenn die Kontaktöffnung so synchronisiert wird, dass sie kurz vor (normalerweise -1/2 / +0 Milli-Sekunden ist akzeptabel und erreichbar), aber niemals nach dem Nulldurchgang der Stromwellenform erfolgt, „unterbricht“ der Relaiskontakt nicht viel Strom oder Spannung, und der Lichtbogen erlischt dann beim bevorstehenden Nulldurchgang, wodurch Kontakterosion und Verschleiß stark reduziert werden. Bei nicht induktiven Lasten, bei denen es keinen Phasenunterschied zwischen Spannung und Strom gibt, ist das Brechen bei Nullspannung ebenso akzeptabel und ergibt ein einfacheres Steuerungsdesign.

Siehe auch „Spezielle Überlegungen zum Schließen/Öffnen bei induktiven Lasten“, nachfolgend.

Es liegt auf der Hand, dass bei ohmscher oder glühender Last eine Unterbrechung des Kontakts kurz vor Spannungs- oder Stromlosigkeit zu einer geringeren Intensität des Lichtbogens und einer längeren Kontaktlebensdauer führt.

• Spezielle Überlegungen zum Schließen/Öffnen bei induktiven Lasten 

Induktive Lasten (insbesondere solche mit Eisenkernen) müssen anders gehandhabt werden, da sie dazu neigen, beim Einschalten einen hohen Einschaltstrom zu erzeugen und beim Ausschalten einen starken Kontaktbogen und hohe Transientenspannungen zu erzeugen.

Im Gegensatz zu nicht-induktiven Lasten, bei denen ein Schließen des Kontakts sehr nahe am Nulldurchgang erwünscht ist, sollten induktive Lasten (insbesondere Eisenkerndrosseln wie Transformatoren und Magnetspulen) niemals im Nulldurchgang schließen. Dadurch wird der Induktor in die Sättigung getrieben, was zu einem sehr hohen Anfangsstromstoß führt. Solche induktiven Lasten funktionieren besser, wenn sie bei ca. 75° auf der Wechselspannungswellenform angetrieben werden. Jede Last ist etwas anders, sodass jede überwacht und für die beste Leistung angepasst werden sollte.

Die Leistung beim Brechen induktiver Lasten wird besonders verbessert. Dies ist auf eine stark reduzierte Lichtbogenerosion des Kontaktmaterials aufgrund geringerer Bruchlichtintensität und -dauer zurückzuführen. Ebenso sind aufgrund sehr geringer Energie, die zum Zeitpunkt des Kontaktbruchs in der Lastinduktivität gespeichert wird, elektromagnetische Interferenzen (EMI) und umgekehrte Transienten von geringer Intensität, sodass nachteilige Auswirkungen auf empfindliche Elektronik minimiert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Relaisspulenansteuerung zu einem Zeitpunkt entfernt wird (versetzt von einem nachfolgenden Nullstromdurchgang um die Auslösezeit des Relais), so dass der Relaiskontakt immer kurz vor (aber nie nach) dem Nullpunkt „öffnet“ (normalerweise -1/2 / +0 Milli-Sekunden ist akzeptabel und erreichbar).

Beispiel #5B – Induktive Last bei NULLSPANNUNG ERZEUGEN – Induktive Last bei SPITZENSTROM UNTERBRECHEN (HINWEIS: Die Phase des Stroms verzögert die Spannung.)

Ein Synchronisierungskontakt, der die Lastspannung und den Laststrom ein- und ausschaltet, bei korrekter Implementierung eine deutliche Leistungsverbesserung erzielen kann. Wenn die Technik jedoch falsch implementiert ist, kann es auch durch Materialtransfer oder beschleunigte Kontakterosion zu Leistungseinbußen kommen. TE Engineering sollte immer konsultiert werden, um Implementierungshinweise für jeden Relaistyp einzuholen.

Da die Ansprech- und Rückfallzeiten der Relais je nach Relaisfamilie von Relais zu Relais, von Charge zu Charge und über die Lebensdauer des Relais variieren, lässt sich dies am besten durch den Einsatz von Mikrocontrollern realisieren, bei denen die tatsächlichen Ansprech- und Rückfallzeiten des Relais in Bezug auf die Wellenform der Spannung (und des Stroms, wenn induktive Lasten gebrochen werden) überwacht und die Versatzzeit periodisch angepasst wird. Dies ist der beste Weg, um eine genaue Schaltung über die Lebensdauer des Relais zu gewährleisten.

Bei +/-1 Milli-Sekunde um die Nullspannung schalten und bei - 1/2 / +0 Milli-Sekunden unterbrechen, bevor Nullstrom akzeptabel und erreichbar ist. Bei nicht induktiven Lasten liefert die Synchronisation auf Nullspannung bei Bruch eine akzeptable Leistung und ein einfacheres Steuerungsdesign.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Auswirkungen der Temperatur auf den Widerstand des Relaisspulendrahtes, und so Betriebsspannung und Betriebs-/Freigabe-Timing, kompensiert werden müssen. Dies wird in den Anwendungshinweisen „Ein geeigneter Spulenantrieb ist wichtig für eine gute Leistung von Relais und Schütz“ und „Spulenspannung und Temperaturausgleich“ erläutert.