Das elektromechanische Relais als Wegbegleiter der modernen Megatrends

Elementarrelais wurden immer wieder totgesagt und doch boomen die Anwendungen heute wie nie zuvor. Wo liegen die Gründe? Das 1. Anwenderforum Relais am 11. Oktober 2018 ging den Ursachen nach, vermittelte Grundlagen und aktuelle Trends und bot eine Plattform für die Diskussion zwischen Anwendern und Herstellern.

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Das moderne Relais hat sich massiv gewandelt in Form, Funktion und Anwendung. Und seit der Jahrtausendwende steigt der Relaisbedarf. Wachstumsimpulse kommen sowohl aus der Industrieelektronik (Industrie 4.0) als auch der Automobilindustrie sowie durch Megatrends wie urbane Verdichtung, alternde Gesellschaft, veränderte Mobilität und alternative Energieerzeugung. Relais sind hier heute nicht nur unabdingbar, sondern auch Technologietreiber.

Um das richtige Relais für die jeweilige Anwendung auszuwählen und in das System zu integrieren, benötigt der Anwender spezifische Kenntnisse. Kenntnisse, die leider nur noch rudimentär an den Fachhochschulen und Universitäten gelehrt werden. Diese Lücke wollte das 1. Anwenderforum Relaistechnik schließen und Anwendern und Herstellern eine Plattform für den Wissensaustausch bieten. Die erste Veranstaltung wurde sehr gut angenommen, 72 Teilnehmer besuchten das Forum, das am 11. Oktober im Würzburger VCC stattfand.

Das war das 1. Anwenderforum Relais

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„Das Anwenderforum ist ein Rundumschlag der Relaistechnik mit vielen Anwendungstipps und Hinweisen, die in keinem Datenblatt zu finden sind“, stellt Jonas Weidenmüller (Sick AG) in seinem Fazit zum Relaisforum fest. Er nutze die Möglichkeit und diskutierte zahlreiche Aspekte aus seiner Praxis mit den Experten der Hersteller.

„Relais als Wegbegleiter der digitalen Urbanisation und Automation“ war das Thema der Keynote, die Klaus Stark (Pilz) als Vertreter der Relaisabteilung des ZVEI hielt. Eine vernetzte Welt, urbane Verdichtung, Smart Grid, autonomes Fahren, Fertigung On Demand, Smart Home und Digital Hospital sind bereits Teil unserer Wirklichkeit. Offensichtlich ist dabei die digitale Vernetzung. Weniger sichtbar hingegen der Link in die reale Welt. Relais sind in vielen Fällen das flexible Bindeglied zwischen diesen Welten. Sie sorgen dafür, dass sich Roboter bewegen, Aufzüge fahren, Medizinlaser schneiden oder Jalousien Räume verdunkeln. Mit dem notwendigen Knowhow bei der Auswahl und Integration verhelfen Relais Geräten und Systemen zu hoher Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.

Relais begleiten Stark schon sein ganzes (Arbeits)Leben. Er zeigte die Entwicklungen seit den 1980er Jahren auf und legte dar, warum heute immer noch Relais gebraucht werden, welchen Wandlungen das Relais unterlag und warum das immer wieder totgesagte Relais so ein „Überlebenskünstler“ ist.

Aktuell boomen in Europa Relaisapplikationen und das wird sich auch die nächsten 20 bis 30 Jahre nicht ändern, so Stark. In Asien wird das Relais ebenfalls eine massive Renaissance erfahren. Diesen Relais-Boom hätten die Relaishersteller nicht gesehen und stünden aktuell vor der Herausforderung ziel- und zeitgerecht den Markt zu beliefern. Das schließe auch fällige Investitionen und andere Produktionsweisen für andere Mengen ein. Auch das Lebenszyklusmanagement sei ein Thema, das auf die Branche zukomme, erklärt Stark.

Sein Fazit: Das Relais punktet durch seine Wandlungs- und Anpassungsfähigkeit, ist aber nicht sexy und hat ein Imageproblem. „Uns fehlt eigenes Marketing, das dazu führt, dass das Relais en vogue wird.“ Es sei schwer, Entwickler für Relais zu begeistern, alle wollten nur Software entwickeln. Aber die deutsche Branche könne den (globalen) Markt nur besetzen, wenn sie Leute habe, die für Relais brennen.

Relais – die Grundlagen und erweitertes Basiswissen

Der Grundlagenvortrag von Manfred Cloot (Finder) bot den Einstieg in die nachfolgenden Themenfelder. In ihm erklärte der Referent nach einem historischen Abriss zur Entwicklung und Kenndaten des Relais Konstruktionsmerkmale, die Ansteuerung des Magnetkreises und das Zusammenspiel von Relaisantrieb und Kontaktsatz sowie das Schaltverhalten unter verschiedenen Schaltlastbedingungen. Besprochen wurden Kontaktwerkstoffe, das Verhältnis von Spulenleistung / Baugröße und Schaltleistung sowie bistabile Relais.

Der nachfolgende Block mit dem erweiterten Basiswissen beleuchtete Aspekte, die sowohl beim Design-in als auch in der Anwendung wichtig sind. Dabei handelt es sich um Temperatureinflüsse und Wärmemanagement, die Absicherung und die Lichtbogenlöschung.

Die Vortragsreihe erweitertes Basiswissen eröffnete Jürgen Steinhäuser (Elesta), der die verschiedenen Arten von Temperaturen erläuterte und aufzeigte, wie diese ermittelt werden. Doch Vorsicht, die Ergebnisse und die Datenblattangaben muss man richtig interpretieren und einordnen können. Hier lauern einige Fallstricke. Im zweiten Teil seines Vortrags diskutierte Steinhäuser Anwendungsbeispiele, die zur Überwärmung führten und zeigte Maßnahmen, mit denen man das Temperaturverhalten im Elementarrelais, auf der Leiterplatte, bei der Relaisansteuerung und der Schaltlast positiv beeinflussen kann. Den Abschluss bildeten relevante Normen und temperaturgerechte Produktion sowie Tipps und Tricks für das richtige wärmetechnische Eindesignen von Relais.

„Es gibt nicht nur den Kurzschluss, sondern auch den Fehlzustand Überstrom“, war das Thema von Eberhard Kirsch (Hengstler). Wenn von der Absicherung elektrischer Stromkreise gesprochen wird, sei in der Regel die Absicherung gegen Kurzschluss gemeint. Das reicht aber nicht, denn es gibt noch andere Aufgaben: Leitungsschutz und Geräteschutz. Kirsch beschäftigte sich expliziert mit dem Geräteschutz sowie dem Schutz der Kontakte von Elementarrelais. Auch wenn ein Gerät gegen Kurzschluss geschützt ist, kann das Kontaktsystem nämlich durch Überstrom geschädigt werden. Kirsch stellte einen Lösungsansatz vor, der eine Bewertungshilfe für das Trenn- und Auslösevermögen von Sicherungen bei hohen Strömen bietet. Sehr aufschlussreich waren die von ihm durchgeführten Erläuterungen wichtiger Kennwerte und Begriffe.

Der Lichtbogen und wie man ihn sicher löscht

Christoph Oehler (Panasonic Electric Works Europe) beschäftigte sich mit dem sicheren Löschen des DC-Lichtbogens durch magnetische Blasung bei elektromechanischen Relais. Bei hohen DC-Lasten wird der Lichtbogen kritisch.

Er erläuterte, warum der Lichtbogen entsteht und wie man die Länge bestimmt sowie welche Möglichkeiten es gibt, ihn zu löschen. Die Lichbogenlöschung in Gasen ist Stand der Technik, aber erfordert spezielle konstruktive Maßnahmen zur Kapselung des Kontaktraums. Das steht dem Entwicklungsziel eines kostengünstigen Relais entgegen. Wie man ein derartiges Relais trotzdem entwickeln kann, stellte er an einem Beispiel mit doppeltem Brückenkontakt mit Blasmagneten vor. Das Relais bietet eine zuverlässige und kostengünstige Lösung, um hohe DC-Lasten zu unterbrechen.

Bei den nachfolgenden Relais Features gingen die Referenten auf Besonderheiten und Nutzungsmöglichkeiten spezieller Relais ein. Im Einzelnen waren das Automotive-Relais, Relais für Smart Home, Relais in der Industrieelektronik, Solar-Relais und Relais für kleine Lasten. In den Vorträgen wurden die Bandbreite der neuesten Relaisentwicklungen und die Vorteile in der Anwendung aufgezeigt im Kontext zu Megatrends wie Smart Grid, Energy Storage, Smart Home, Automotive etc.

Relais für Automotive-Anwendungen

Das Feature Automotive von Olaf Lorenz (TE Connectivity) bot einen Einblick in die Automotive-Relais-Welt, die sich durch einige Besonderheiten von anderen Bereichen unterscheidet. Er gab einen Überblick zu den verschiedenen Automotive-Relaistypen und deren Anwendungen im Kraftfahrzeug. Die besonderen Anforderungen im Auto bedingen meist spezielle Lösungen. Im zweiten Teil erklärte er, welche Konsequenzen sich aus der Erweiterung des automobilen Spannungsbereiches von 12 / 24 V DC auf bis zu 900 V DC ergeben.

Das Feature von Jürgen Schönauer (Omron) beinhaltete Relais für Smart-Home- und weitere Anwendungen. Neben den Anwendungsmöglichkeiten von Relais in Smart Building und Smart Home stellte er die verschiedenen Leistungsrelais für diesen Bereich vor. Neue Lasten wie LED-Beleuchtung mit hohen Einschaltströmen oder hohe Motorlasten von Lüftern sind nicht immer einfach zu schalten. Wie man dies löst, zeigte Schönauer anhand der Serien der Plattform G5Q EK HA. Das sind angepasste Relaisausführungen, mit denen unterschiedliche Lasten geschaltet werden können und auch alte Gebäude umgerüstet werden können.

General Purpose Relais – generell und doch speziell

Andreas Grüber (Hongfa) beschäftigte sich mit den mitunter doch sehr speziellen General Purpose Relais. Diese Allzweckrelais (auch Power-Relais genannt) werden in der Industrieelektronik meist nach Anwendungsgebiet unterschieden und sind durch keine Norm kategorisiert. Auf den ersten Blick scheint die Auswahl relativ einfach zu sein, die durch Spannung, Strom und Bauraum definiert ist. Aber der Teufel steckt bekanntlich im Detail. Grüber erläuterte die Schritte bei der Auswahl eines Relais: elektrische Anforderungen Erregerkreis (Spulenseite) und Kontaktkreis (Lastseite), Einbaulage, Temperaturbereich / Klima, Schutzart / Verarbeitung, Betriebsart, Schutzklasse / Isolation, Normen und Zuverlässigkeit. Dabei verband er vorher gelerntes Basiswissen mit der praktischen Anwendung Werkzeugmaschine, wodurch das Gelernte dadurch zusätzlich vertieft wurde. Sein Fazit: Eine optimale Auswahl des Relais für eine spezielle Anwendung und mögliche maßgeschneiderte Anpassungen des Designs sind nur möglich, wenn alle genannten Bedingungen berücksichtigt werden.

Michael Biebl (Zettler) stellte in seiner Präsentation Solarrelais vor: Wo wird ein AC-Solarrelais eingesetzt, was macht ein Solarrelais, gibt es den optimalen Kontaktwerkstoff und wie sieht die richtige Ansteuerung aus? Auch für Solarrelais gibt es besondere Anforderungen, das sind Luft- und Kriechstrecken, die durch IEC62109 und 60664 beschrieben werden. In der Applikation (Hochstromanwendungen) sollen die Kontaktwiderstände möglichst gering, aber auch Verschweißfestigkeit gewährleistet sein, was wiederum mit speziellen Anforderungen an die Kontaktwerkstoffe (AgSnO₂ und AgNi) verbunden ist. Dazu kommen eine hohe Impulsstromfestigkeit bei kapazitiven Einschaltstromspitzen und geringe Halteleistungen des Antriebssystems, was eine gute Kopplung des Magnetkreises durch große Flächen zwischen Spulenkern und Anker verlangt.

Den Abschluss des Features Relais für spezielle Anwendungen bildete der Vortrag von Dr. Werner Johler (Littlefuse), der sich mit Relais zum Schalten kleiner Lasten beschäftigte. Das sind Telekom- und Signalrelais, aber auch Reed-Relais. Diese robusten, kostengünstigen Relais sind in vielen Anwendungen die erste Wahl aufgrund von Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und galvanischer Trennung. Hier sei der Bedarf groß und die Herstellkapazitäten hätten sich verdoppelt, so Johler. Die Auswahl hängt auch hier von der Schaltaufgabe ab. Johler stellte die Funktionsweise vor, verglich die Anforderungen und Eigenschaften und ging auf die immer stärker werdende Miniaturisierung ein.

Best Practice und wo die Relais-Entwicklungen hingehen

Das Best-Practice-Beispiel von Manfred Cloot (Finder) stellte die Realisierung von Schaltaufgaben in Geräten, Maschinen und Systemen in den Mittelpunkt. Der Referent diskutierte Relais in Industrieanlagen, in Windkraftanlagen, in der Energieverteilung und in Kläranlagen unter den Aspekten spezielle Anforderungen, Platzbedarf, Verlustleistung und Wärmemanagement. Cloot gab einen Überblick, welche Relaisgröße für welche Schaltaufgaben geeignet ist, zeigte Richtwerte zur Verlustleistung und präsentierte fünf Maßnahmen zur Temperatursenkung. Besonderes Augenmerk legte er auf die Klemmtechnik und Zusatzfunktionen sowie spezielle Anforderungen wie ATEX.

Einen Ausblick auf die Entwicklungen bei Relais gab Frank Liebusch (TE Connectivity) in seinem Vortrag „Trends und Entwicklungen bei Relais“. Anhand von Patentrecherchen und vorhandenen technischen Lösungen zeigte Liebusch, welche neuen Antworten die Hersteller von Elementarrelais vor dem Hintergrund der Miniaturisierung suchen und gefunden haben. Es zeigte sich, dass die Hersteller aktuell nicht vorhaben, vom Grundprinzip Antrieb und federnder Kontakt abzuweichen, obwohl es Alternativen gibt. Allerdings spielen zunehmend eine höhere Zuverlässigkeit, Ausfallvorhersage durch Condition Monitoring und digitale Zwillinge zur Simulation des Relais im Betrieb und zur Prognose der verbleibenden Einsatzdauer eines sicherheitskritischen Relais eine Rolle.

Es bleibt die Frage, warum der Antrieb des Relais nicht durch Strom-Kraft-Wandler ersetzt wird oder Lösungen mit Formgedächtnislegierungen bzw. elektroaktive Elastomere noch keine Anwendung finden. Gründe liegen in der Kostenstruktur und darin, dass aktuelle Fertigungsstrukturen für eine Massenfertigung nicht geeignet sind. Auch der Ansatz eines „smarten“ Relais benötigt noch kommerzielle Anreize.

Aber vielleicht hängt das ja auch mit dem eingangs erwähnten Imageproblem des Relais und der Selbstvermarktung der Branche zusammen. Vielleicht ergeben sich auf dem 2. Anwenderforum Relais am 17. und 18. Oktober 2019 ja auch schon neue Aspekte.

Zum 1. Anwenderforum Relais gibt es einen 118 seitigen Tagungsband, den Sie bei Patricia Full bestellen können.

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