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Sicherheitsrelais Doppelankerrelais mit zwei unabhängigen Kontaktsätzen

Von Jürgen Steinhäuser * 5 min Lesedauer

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ISH Ingenieursozietät GmbH
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Elesta hat im Relais SID4 den Doppelanker neu interpretiert und kommt damit den Marktforderungen nach ressourcenschonenden Produkten mit geringer Verlustleistung für kompakte Steuerungen nach.

Doppelanker neu gedacht: Mit dem SID4 können 2-kanalige Steuerungsarchitekturen der funktionalen Sicherheit realisiert werden.(Bild: Elesta)
Doppelanker neu gedacht: Mit dem SID4 können 2-kanalige Steuerungsarchitekturen der funktionalen Sicherheit realisiert werden.
(Bild: Elesta)

Es ist ein neuer Weg, den der Schweizer Relaisbauer Elesta mit seiner aktuellen Relaisentwicklung SID4 beschreitet. Dabei handelt es sich um ein Doppelankerrelais, das mit zwei unabhängigen zwangsgeführten Kontaktsätzen nach IEC 61810-3 Typ A ausgestattet ist. Es können somit u.a. zweikanalige Steuerungsarchitekturen der funktionalen Sicherheit z.B. SIL3 (IEC 61061) bzw. Pl „e“ (ISO 13849) realisiert werden.

Zunächst einmal scheint dies kein neuer Weg zu sein. Doppelanker, die zwei Kontaktsätze antreiben, sind seit langem bekannt. Doch der erste Eindruck trügt. Die Schweizer Entwickler haben den Doppelanker vollkommen neu im Kontext von Relais mit zwangsgeführten Kontakten interpretiert. Daraus ergeben sich sowohl für die Steuerungstechnik im Bereich der funktionalen Sicherheit als auch in Hinblick auf Miniaturisierung und „Green Design“ neue Möglichkeiten.

Bildergalerie

Höhere Gefährdungspotentiale wie z.B. nach die Kategorien PL „e“ Kat. 4 (ISO / EN 13849-1) bzw. SIL cl3 (IEC / EN 62061) erfordern in der Regel 2-kanalige Steuerungsarchitekturen, die gewährleisten, dass beim Ausfall eines Kanals noch ein zweiter Kanal die Sicherheitsfunktion übernimmt.

Funktional wird auch davon ausgegangen, dass infolge einer Störung, die möglicherweise im Schaltkreis auftritt und zum Kontaktverschweißen führt (Öffnungsversagen), nur einer von zwei in Reihe geschalteten Kontakten aus zwei voneinander unabhängigen Kontaktsätzen ein Kontaktversagen aufweist (Ausschluss von Fehlern gemeinsamer Ursache).

Da zwei unabhängige Magnetkreise existieren, versagt der zweite Kontakt nicht. Damit ist auch bei einem Öffnungsversagen eines Kontaktes das sichere Abschalten des Systems möglich. Hierfür werden in der Regel zwei Relais nach IEC 61810-3 verwendet.

Beim SID4-Relais wurden zwei unabhängige Kontaktsätze, die für sich jeweils dem oben angesprochenen Typ A entsprechen, in das Relais integriert. Funktional wird damit einerseits gewährleistet, dass die Kontaktsätze voneinander unabhängig sind.

Andererseits können alle Schaltkontakte der Kontaktsätze für die Sicherheitssteuerung genutzt werden.

Doppelankerrelais für funktionale Sicherheit

Bei Steuerungen der funktionalen Sicherheit werden bei höheren Risiken 2-kanalige Sicherheitsschaltgeräte eingesetzt. Diese gewährleisten, dass beim Ausfall eines Kanals der zweite Kanal nicht zum Verlust der Sicherheit führt. Dabei kommen oftmals zwei Relais mit zwangsgeführten Kontakten zum Einsatz, deren Kontakte jeweils in Reihe geschaltet sind. Zwangsführung bedeutet, dass mindestens ein Öffner und ein Schließer eines Relais so miteinander verbunden sind, dass z.B. beim Verschweißen eines Kontaktes die gegenfunktionalen Kontakte nicht schließen, um einen Wiederanlauf einer Maschine zu verhindern. Elesta hat mit dem Doppelankerrelais SID 4 hier eine Innovation vorgestellt.

Die Innovationen des Doppelankerrelais

Energieeffizienz: Die Verbrauchsreduzierung um 41% gegenüber zwei vergleichbaren Relais mit einem konventionellen Relaisantrieb von 1,4 auf 0,82 W ist nur ein Teil der Einsparung, die noch über weniger Leiterbahnen, Lötbohrungen und effizientere Ansteuerung realisiert werden können.

Leiterplatte: 22% des Flächenbedarfs auf der Leitplatte konnte beim direkten Vergleich des SID4 zu zwei konventionellen Relais der Baureihe SIF4 eingespart werden. Auch der Bauraum unter dem Relais lässt sich für die Bestückung mit Bauelementen bis ca. 3 mm Bauhöhe zu nutzen. Dies spart Grundfläche von 360 mm2 bzw. 18% der Fläche unter dem Relais. Zweitens werden 10 Bohrungen eingespart. Das Layout wird einfacher und die Zuverlässigkeit höher.

Verarbeitung: Durch die optionalen ELOPIN-Anschlüsse kann die Platine in einem einzigen Reflow-Prozess gelötet werden. Platine und Relais werden keinem thermischen Stress durch einen zusätzlichen Lötprozess ausgesetzt. Dabei wird Prozesszeit und Energie gespart. Die Zuverlässigkeit der ELOPIN im Vergleich zu Lötverbindungen ist höher.

Rohmaterial: Es werden nur eine Spule und nur ein Gehäuse benötigt. Die rund 13% Gewichtsreduzierung setzen sich aus einer Einsparung von rund 39% beim Kunststoff und 17% beim Magnetweicheisen zusammen. Darüber hinaus wird weniger Vergussmasse benötigt und etwas Kupfer eingespart.

Doppelanker –Besonderheiten für Relais nach IEC 61810-3

Diese Anforderungen sind weitaus höher als die Anforderungen an normale Elementarrelais. Die Bilder 1 und 2 zeigen den mechanischen Aufbau des Antriebs beim SID4.

Der Antrieb erfolgt durch den neu interpretierten Relaisantrieb mit Doppelanker. Aufgrund der Anforderungen an die Relais mit zwangsgeführten Kontakten sind größere Kontaktabstände einzuhalten. Im gestörten Zustand, beispielsweise bei einer Kontaktverschweißung, entspricht dies 0,5 mm beim Einfachkontakt für die gegenfunktionalen Kontakte eines Kontaktsatzes.

Damit ist die Öffnungsweite im ungestörten Zustand noch sehr viel größer. Ein Vergleich der Isolationswerte am offenen Kontakt zeigt dies. Elementarrelais, die üblicherweise in Industriesteuerungen eingesetzt werden, bieten eine Spannungsfestigkeit am offenen Kontakt von rund 1000 Veff im ungestörten Zustand.

Bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten beträgt die Spannungsfestigkeit im gestörten Zustand 1500 Veff. Hinzu kommt, dass die Zwangsführung für das Schalten der Kontakte mehr Kraft erfordert.

Ein weiterer Aspekt sind die Anforderungen an das Anzugs- und Abfallverhalten. Diese müssen sich grundsätzlich in dem gleichen Bereich bewegen wie bei üblichen Konstruktionen. Sie müssen sich aber auch zueinander so verhalten, wie die zweier unabhängiger Relais zueinander.

Dabei ist zu beachten, dass die Abfallspannung 10 Prozent der Nennspannung beträgt und nicht die bei Standard-Relais geforderten 5 Prozent. Neu interpretiert bedeutet hier, diese Unabhängigkeit der Kontaktsätze zueinander sowohl in der Kontaktfunktion als auch im Antrieb zu realisieren.

Das Ziel: Miniaturisierung und Energieeffizienz

Warum nun das Ganze? Im Vordergrund der Entwicklung stand die Miniaturisierung und eine Reduktion der Spulenleistung. Diese Ziele wurden mit einer Flächenreduzierung von rund 22 Prozent gegenüber Lösungen mit zwei vergleichbaren Einzelrelais der Serie SIF 312 und einer Verringerung der Leistungsaufnahme der Relaisspule um 41 Prozent, von 1.400 auf 820 mW erreicht.

In das Konzept wurden weitere Marktforderungen aufgenommen. Durch den zentral angeordneten Relaisantrieb konnten die Rückmelde- und Leistungskontakte separiert werden. Ein Verschleppen von Abbrandpartikeln von der Lastseite zur Logik ließ sich noch weiter limitieren. Durch die Kombination mit den Zackenkronenkontakten ist das Relais für Schaltströme von 3 mA bis 8 A ausgelegt.

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Weitere Vorteile beim Leiterplatten-Layout

Beim Platinenlayout ergeben sich für den Anwender weitere Vorteile. Statt 20 Bohrlöcher werden nun 10 Bohrungen benötigt. Die um 50 Prozent reduzierte Anzahl der Bohrungen erleichtert das Entflechten und führt zu einer höheren Zuverlässigkeit.

Durch das eher ungewöhnliche Design des Relaisgrundkörpers, konnten zwei Bestückungsflächen von zusammen 360 mm2 für Bau­elemente bis ca. 3 mm Bauhöhe geschaffen werden, zudem ließ sich 39 Prozent des Kunststoffs einsparen. Das führte zu einer Gewichtsreduzierung im Vergleich zu zwei SIF4-Relais um 13 Prozent.

Einpresstechnik verringert thermischen Stress

Für die Montage auf der Leiterplatte gibt es neben dem klassischen Löt-Pin den ELOPIN. Dies sind Einpresstechnik-Verbinder, die seit langem bei Steckverbindern eingesetzt werden und auch für großvolumige und relativ schwere Bauelemente geeignet sind.

Mit den Press-Fit-Verbindern kann der Fertiger nach dem Reflow-Löten der SMD-Bauelemente auf einen zweiten Lötvorgang für bedrahtete Bauelemente verzichten. Die Einpressverbindung bedeutet zudem eine geringere thermische Belastung für das Relais und alle weiteren auf der Platine befindlichen Bauelemente.

Die Verbindungsqualität und Zuverlässigkeit sind weitaus höher als bei Lötverbindungen und die kostengünstige Montage wirkt sich positiv auf die Herstellkosten aus.

* Jürgen Steinhäuser ist Leiter Vertrieb und Marketing bei Elesta in Bad Ragaz / Schweiz.

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