Das Relais der Zukunft - immer kleiner und besser?

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Bei der Miniaturisierung von elektromechanischen Relais sind zahlreiche Aspekte zu berücksichtigen:

• Kontaktzuverlässigkeit bei reduzierten Kontakt- und Öffnungskräften,

• Schutz des Relais vor interner und externer Verschmutzung,

• Materialtransfer und Kontaktabbrand bei reduzierten Kontaktkräften,

• Verbesserung der Isolationseigenschaften trotz reduzierter Baugröße,

• thermische Eigenschaften, Eigenerwärmung und Verhalten bei erhöhten Umgebungstemperaturen,

• längere Lebensdauer und höhere Schaltleistung,

• erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit und

• Beschränkungen durch die Herstelltechnologie.

Bild 1 zeigt die verschiedenen Stufen der Miniaturisierung am Beispiel von Signalrelais in den vergangenen 40 Jahren. Auch zukünftig werden neue Technologien und neue Lösungsansätze die Relaistechnologie weiter voran treiben.

Die Tabelle auf Seite 67 dokumentiert die Reduktion der Baugröße von Signalrelais. Trotz signifikanter Größenreduktion blieben die Leistungsaufnahme der Spule und das Schaltvermögen nahezu unverändert, wurden die dielektrischen Eigenschaften verbessert, die Schaltzeiten deutlich reduziert und der thermische Widerstand erhöht.

Volumenreduktion und Eigenschaftsverbesserung

Was sind nun die Parameter, die einerseits eine Reduktion des Volumens, andererseits eine Verbesserung der charakteristischen Eigenschaften erlauben.

Das Design: Für miniaturisierte Relais werden durchweg polarisierte Magnetkreise eingesetzt. Dies erlaubt eine deutliche Reduktion der Baugröße und gleichzeitig auch bistabiles Schaltverhalten. Das Umspritzen der Spule ermöglicht eine deutliche Reduktion der Luft- und Kriechstrecken im Relais.

Ebenfalls von Vorteil ist der Einsatz von gasdichten Gehäusen, die einen optimalen Schutz des Relaisinnenraumes vor Verschmutzungen aus der Umgebung und damit eine Reduktion der minimalen erforderlichen Kontaktkraft ermöglichen.

Die Werkstoffe: Bei miniaturisierten Konstruktionen verschlechtert sich das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche. Dadurch steigt auch der thermische Widerstand. Um eine gute Kontaktzuverlässigkeit zu gewährleisten, stellt dies höhere Anforderungen an die Eigenschaften der verwendeten Isolierstoffe.

Bessere thermische Stabilität der Isolierstoffe notwendig

Die thermische Stabilität der Isolierstoffe muss deutlich besser werden, um zumindest eine gleiche oder sogar höhere Zuverlässigkeit zu garantieren. Auch das Ausgasen der Isolierstoffe muss man in diesem Zusammenhang auf ein Minimum reduzieren.

Von großer Wichtigkeit sind auch die verfügbaren Kupferwerkstoffe. Eine höhere Leitfähigkeit erlaubt eine Reduktion der notwendigen Querschnitte und ermöglicht kleinere Bauformen. Bei den eingesetzten Federwerkstoffen ist die Relaxation bei hohen Temperaturen entscheidend.

Die Prozesse: Miniaturisierte Konstruktionen stellen erheblich höhere Anforderungen an die Präzision der im Relais eingesetzten Einzelteile und an die Genauigkeit der Montageprozesse.

Nur wenn beides beherrscht wird, können kleinere Bauformen effizient produziert werden. Geringere Toleranzen in der Herstellung führen auch zu deutlich geringerer Streuung im Schaltverhalten. Kleinere Bauformen erfordern eine vollautomatische Produktion, um den menschlichen Einfluss in der Montage sowie Verunreinigungen systematisch auszuschließen.

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