Welches Relais für welche Aufgabe?

Abhängig vom eingesetzten Relais und der Art der Ansteuerspannung gibt es verschieden Eingangsschaltungen. Bei Verwendung von reinen Wechselspannungsrelais (AC-Eingang) beschränkt sich die Eingangsbeschaltung meist auf eine optische Schaltzustandsanzeige. Die Frequenz der Steuerspannung beträgt, soweit nicht anders angegeben, 50/60 Hz. Bei einem reinen DC-Eingang kommt als wichtigstes Schaltungselement die Freilaufdiode hinzu. Sie begrenzt die induktiven Abschaltspannungen, die an der Spule entstehen, auf einen Wert von ca. 0,7 V, der für eine angeschlossene Steuerelektronik ungefährlich ist. Da die Freilaufdiode nur bei polungsrichtigem Spannungsanschluss ihre Funktion erfüllt, wird in den Eingangskreis zusätzlich eine Verpolschutzdiode geschaltet.

Für den Betrieb mit Gleich- oder Wechselspannungen wird ein Brückengleichrichter in den Eingangskreis geschaltet. Die Dioden übernehmen gleichzeitig Gleichrichtung, Freilauf- und Verpolschutzfunktion. Die Abschaltspannung der Spule wird auf ca. 1,4 V begrenzt Zum Schutz der Eingangsschaltung vor Überspannungen wird, abhängig von Typ, zusätzlich ein Varistor vor den Brückengleichrichter geschaltet.

Bistabile Remanenzrelais mit Doppelwicklung werden ausschließlich mit Gleichspannung betrieben. Erregerseitig sind diese Relaistypen mit drei Spulenanschlüssen ausgestattet. Neben einem gemeinsamen Anschluss ist jeweils ein Anschluss zum „Setzen” und ein Anschluss zum „Rücksetzen“ vorhanden und werden nur mit kurzen Impulsen angesteuert. Dadurch erwärmen sich die Relais praktisch nicht. Das gleichzeitige Ansteuern beider Steuereingänge ist nicht zulässig. Man unterscheidet minusschaltende (M) und plusschaltende (P) Typen, je nach Polung der Freilauf- und Verpolschutzdioden.

Die Umgebungstemperatur, die am Einsatzort herrscht, hat einen wesentlichen Einfluss auf einige Betriebsparameter der Relais. Bei steigender Umgebungstemperatur erhöhen sich durch die Erwärmung der Spulenwicklung die Ansprech- und Rückfallspannungen. Gleichzeitig vermindert sich die maximal zulässige Spulenspannung, sodass der nutzbare Arbeitsbereich eingeschränkt wird.

Der sichere Betrieb eines Relais kann durch induktive oder kapazitive Störspannungen, die sich auf den langen Zuleitungen der Relaisspule einkoppeln, gestört werden. Ist die eingekoppelte Spannung größer als die in der „Relaisnorm“ IEC 61810-1 geforderte Rückfallspannung, so kann das Relais im Extremfall nicht mehr abfallen. Diese Rückfallspannung liegt für DC-Relais bei ≥ 0,05 x UN und für reine AC-Relais bei ≥ 0,15 x UN. Die gleichen Störungen können auftreten, wenn ein Relais mit geringer Eingangsleistung von einer Elektronik-Baugruppe mit RC-beschaltetem Wechselspannungsausgang angesteuert wird. Der typische Leckstrom solcher RC-Glieder von meist einigen mA liefert genug Steuerleistung, um das nachgeschaltete Relais nicht abfallen zu lassen oder sogar zu erregen. Der Störpegel vorhandener Störspannungen lässt sich mit Hilfe einer Parallelschaltung eines RC-Gliedes zur Relaisspule reduzieren. Durch diese Maßnahme wird die Störspannung zusätzlich kapazitiv belastet und bricht zusammen.

Bei der Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in den verschiedenen Bereichen der Industrie ist es nötig, die Relais durch die richtige Wahl des Kontaktwerkstoffes an die vielfältigen Aufgabenstellungen anzupassen. Die Werte für Spannung, Strom und Leistung sind für die Eignung der Kontaktwerkstoffe wichtig. Weitere Kriterien sind der Kontaktwiderstand, die Abbrandfestigkeit, die Materialwanderung sowie die Verschweißneigung und chemische Einflüsse. Hiermit lassen sich die verschiedenen Kontaktwerkstoffe, zumeist Edelmetall-Legierungen, entsprechenden Anwendungsbereichen zuordnen.

Die für Kontakte zur Verfügung stehenden Werkstoffe lassen sich unterteilen in: reine Metalle, Legierungen und Verbundwerkstoffe. Von den reinen Metallen hat Silber für Schaltgeräte der Energietechnik die größte Bedeutung. Andere Edelmetalle wie Gold und die Platinmetalle kommen nur im Bereich der Informationstechnik meist in Form dünner Schichten zur Anwendung. Von den Unedelmetallen wird Wolfram für spezielle Schaltaufgaben eingesetzt. Gelegentlich wird auch Kupfer, allerdings meist in unsymmetrischer Paarung mit einem silberhaltigen Kontaktwerkstoff, verwendet.

Reines Gold ist neben Platin das chemisch beständigste aller Edelmetalle. Gold in unlegierter Form ist für die Verwendung als Kontaktwerkstoff in elektromechanischen Bauelementen aufgrund seiner Neigung zum Kleben und Kaltschweißen auch bei kleinen Kontaktkräften weniger gut geeignet. Außerdem ist Feingold nicht ausreichend mechanisch verschleißfest und widerstandsfähig bei elektrischer Belastung. Daher beschränkt sich sein Einsatz meist auf dünne, galvanisch oder vakuumtechnisch aufgebrachte Schichten.

Neben den wenigen reinen Metallen steht eine größere Anzahl schmelztechnisch hergestellter Legierungen für Kontaktaufgaben zur Verfügung. Durch Legierungsbildung gelingt es, eine Eigenschaft eines Werkstoffes auf Kosten einer anderen zu verbessern. So wird durch Legierungsbildung z.B. die Festigkeit des Grundmetalls erhöht, während die elektrische Leitfähigkeit, abhängig von der Legierungszusammensetzung, bereits bei geringen metallischen Zusätzen deutlich abnimmt. Verbundwerkstoffe stellen eine Stoffgruppe dar, deren Eigenschaftsspektrum für Anwendungen als elektrische Kontakte in Schaltgeräten, in denen höhere Ströme beherrscht werden müssen, besondere Vorteile bietet. Die für Kontaktzwecke eingesetzten metallischen Verbundwerkstoffe sind heterogene Werkstoffe, die aus zwei oder mehreren innig miteinander verbundenen Komponenten bestehen, bei denen mindestens die dem Volumen nach überwiegende Komponente ein Metall ist.

Die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe werden durch die Eigenschaften ihrer Komponenten weitgehend unabhängig voneinander bestimmt. So gelingt es z.B. in einem Werkstoff das hochschmelzende, abbrandfeste Wolfram mit dem niedrigschmelzenden, gutleitenden Kupfer oder das hochleitende Metall Silber mit dem verschweißresistenten Metalloid Grafit zu kombinieren.

Jeder elektrische Verbraucher stellt eine Mischlast mit ohmschen, kapazitiven und induktiven Anteilen dar. Beim Schalten dieser Lasten ergibt sich eine mehr oder weniger große Belastung für den schaltenden Kontakt. Durch eine geeignete Kontaktschutzbeschaltung kann diese Belastung reduziert werden. Da in der Praxis überwiegend Verbraucher mit großem induktiven Anteil wie Schütze, Magnetventile, Motoren usw. eingesetzt werden, sollen diese Einsatzfälle näher betrachtet werden. Durch die in der Spule gespeicherte Energie entstehen beim Abschalten Spannungsspitzen mit Werten bis zu einigen tausend Volt. Am schaltenden Kontakt verursachen diese hohen Spannungen einen Lichtbogen, der den Kontakt durch Materialverdampfung und Materialwanderung zerstören kann. Die elektrische Lebensdauer wird dadurch erheblich verringert.

Im Extremfall kann das Relais bei Gleichspannung und stehendem Lichtbogen bereits beim ersten Schaltspiel ausfallen. Um die Entstehung des Lichtbogens zu unterdrücken, ist eine Schutzbeschaltung einzusetzen. Bei optimaler Dimensionierung lassen sich nahezu die gleichen Schaltzyklen erreichen wie bei ohmscher Last. Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten eine effektive Beschaltung anzubringen, wie eine Beschaltung des Kontaktes, eine Beschaltung des Verbrauchers oder eine Kombination der beiden Beschaltungen.

Prinzipiell sollte eine Schutzmaßnahme direkt dort greifen, wo sich die Quelle der Störung befindet. Die Beschaltung des Verbrauchers ist also der Beschaltung des Kontaktes vorzuziehen. Folgende Punkte wirken sich bei der Verbraucherbeschaltung vorteilig aus: 1. Die Beschaltung wird beim Abschalten lediglich mit der Induktionsspannung belastet. Im Gegensatz dazu liegt an der Kontaktbeschaltung die Summe aus Betriebsspannung und Induktionsspannung. 2. Bei geöffnetem Kontakt ist die Last von der Betriebsspannung galvanisch getrennt. 3. Ein Erregen oder Kleben der Last durch unerwünschte Betriebsströme von z. B. RC-Gliedern ist nicht möglich. 4. Abschaltspitzen der Last können nicht in parallellaufende Steuerleitungen eingekoppelt werden.

Magnetventile werden heute meist über Ventilstecker angeschlossen, die auch mit LED und induktionsspannungebegrenzenden Bauteilen geliefert werden. Ventilstecker mit RC-Glied, Varistor oder Z-Diode löschen den Schaltlichtbogen jedoch oft nicht und dienen nur der Einhaltung der EMV-Gesetzgebung. Lediglich Ventilstecker mit integrierter Freilaufdiode löschen den Schaltlichtbogen schnell und sicher und erhöhen die Lebensdauer des Relais um den Faktor 5 bis 10. Ventilstecker mit LED, integrierter Freilaufdiode und freiem Leitungsende können auf Anfrage geliefert werden.

Kleine Leistungen müssen vor allem in solchen Anwendungen verarbeitet werden, in denen Signale an Steuereingänge (z. B. einer SPS) weitergeleitet werden sollen. Bei diesen Lasten im Kleinleistungsbereich entsteht kein Schaltfunke (Lichtbogen) an den Kontakten. Neben dem stets vorhandenen Reinigungseffekt durch die Kontaktreibung übernimmt dieser Schaltfunke bei Leistungskontakten die Funktion, die auf den Kontaktoberflächen entstehenden nicht leitenden Fremdschichten zu durchschlagen.

Die Fremdschichten sind meist Oxidations- oder Sulfidationsprodukte der Kontaktmaterialien Silber (Ag) bzw. Silberlegierungen wie Silber-Nickel (AgNi) oder Silber-Zinnoxid (AgSnO). Der Kontaktwiderstand kann dadurch bereits nach kurzer Zeit so stark ansteigen, dass bei kleinen Lasten kein zuverlässiges Schalten mehr möglich ist. Aufgrund dieser Eigenschaften kommen die genannten Leistungs-Kontaktmaterialien für Kleinleistungsanwendungen nicht in Frage. Vor allem wegen der niedrigen und konstanten Kontaktwiderstände auch bei kleinsten Lasten und der Unempfindlichkeit gegenüber schwefelhaltiger Umgebungsluft hat sich Gold (Au) als Kontaktwerkstoff für diese Anwendungsbereiche durchgesetzt. Für kleinste Leistungen und noch höhere Kontaktsicherheit werden Doppelkontakt-Relais mit Goldkontakten eingesetzt. Durch die geschlitzte Kontaktfeder entstehen bei dieser Bauweise zwei parallele Kontaktpunkte mit noch geringeren Kontaktwiderständen und deutlich höherer Kontaktsicherheit.

Einige wichtige Punkte sind bei Schaltvorgängen im Bereich größerer Leistungen mit den zur Auswahl stehenden Leistungskontakten aus Silber (Ag) oder Silberzinnoxyd (AgSnO) ebenfalls zu beachten. Grundsätzlich ist zwischen dem Schalten von Gleich- und Wechselströmen zu unterscheiden.

Beim Schalten von großen Wechselstromlasten kann das Relais grundsätzlich bis zu den jeweiligen Maximaldaten von Schaltspannung, -strom und -leistung betrieben werden. Der während des Abschaltens entstehende Lichtbogen ist abhängig von Strom, Spannung und Phasenlage. Dieser Abschaltlichtbogen verlischt in der Regel beim nächsten Nulldurchgang des Laststromes von selbst. In Anwendungen mit induktiver Belastung sollte eine wirksame Schutzbeschaltung vorgesehen werden, da sonst mit einer deutlich verringerten Lebensdauer gerechnet werden muss.

Im Vergleich zum maximal zulässigen Wechselstrom können herkömmliche Schaltrelais nur relativ geringe Gleichströme abschalten, da der automatisch löschende Nulldurchgang fehlt. Dieser maximale Gleichstromwert ist außerdem stark schaltspannungsabhängig und wird unter anderem von konstruktiven Gegebenheiten wie Kontaktabstand und Kontaktöffnungsgeschwindigkeit bestimmt. Die entsprechenden Strom- und Spannungswerte sind von Relaisherstellern in Lichtbogen- oder Lastgrenzkurven dokumentiert.

Eine unbedämpfte induktive Gleichstromlast verringert die angegebenen Werte für schaltbare Ströme weiter. Die in der Induktivität gespeicherte Energie kann einen Lichtbogen zünden, der den Strom über die geöffneten Kontakte weiterführt. Mit einer wirksamen Kontaktschutzbeschaltung, vorzugsweise Freilaufdioden, sind gegenüber unbeschalteter oder ungünstig beschalteter induktiver Last Lebensdauererhöhungen von Faktor 5 bis 10 erreichbar. Sind höhere Gleichstromlasten als dokumentiert zu schalten oder soll die elektrische Lebensdauer erhöht werden, können mehrere Kontakte eines Relais in Reihe geschaltet werden. Alternativ können auch Solid-State-Relais mit Gleichspannungsausgang eingesetzt werden.

Unabhängig von der Spannungsart stellen alle Arten von Lampen sowie Lasten mit kapazitiven Anteil extreme Anforderungen an die schaltenden Kontakte. Im Einschaltmoment, also gerade in der dynamischen Prellphase der Relais, treten höchst energiereiche Stromspitzen auf, die oft einige 10 A, nicht selten sogar über 100 A hoch sind und den Kontakt verschweißen. Abhilfe schaffen hier speziell optimierte „Lampenlast-Relais“, die diese Einschaltspitzen verkraften.

In der Praxis bieten sowohl die maximale Abschaltleistung für AC-Lasten als auch die aus den Lastgrenzkurven entnommenen DC-Abschaltwerte nur grobe Anhaltswerte für die Auswahl von Relais. Dies ist in der Praxis unzureichend, da reale Lasten im Industriebereich überwiegend induktive oder kapazitive Anteile haben und die Lasten völlig unterschiedlich beschaltet sein können. Dadurch ergeben sich – wie bereits beschrieben – teils stark unterschiedliche Lebensdauerwerte.

Diese Nachteile versucht die Schütznorm IEC 60947 zu vermeiden, indem sie die Lasten in unterschiedliche Gebrauchskategorien (DC-13, AC-15…) einteilt. Diese Norm wird teilweise auch auf Relais angewandt. Anwender müssen sich jedoch im Klaren darüber sein, dass auch diese Werte nur bedingt praxistauglich sind, da alle DC-13- und AC-15-Prüflasten stark induktiv sind und dazu völlig ohne Schutzschaltung betrieben werden. In der Schaltvermögensprüfung nach IEC 60947 werden als Mindestanforderung außerdem nur insgesamt 6060 Schaltspiele durchgeführt. Eine bessere Aussage zum Schaltvermögen und zur erwartenden Lebensdauer ist in jedem Fall anhand der konkreten Applikationsdaten möglich. Durch eine umfangreiche Datensammlung kann für die meisten Anwendungen eine gute Lebensdauerabschätzung getroffen und gegebenenfalls Optimierungsvorschläge gemacht werden. Bei kritischen Anwendungen wird dem Anwender geraten, selbst empirisch Lebensdauerwerte zu ermitteln.