Relais-Tipp Funktion und Nutzen von Löschmagneten

Die Hauptfunktion von elektromechanischen Relais besteht darin, elektrische Lasten ein- und auch wieder auszuschalten. Dabei wird eine galvanische Trennung zwischen dem Steuerkreis (Spule) und dem Lastkreis gefordert. Im ausgeschalteten Zustand muss zusätzlich noch die galvanische Trennung zwischen den Lastkontakten gewährleistet werden.

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Beim Ausschalten der Last kann abhängig von Lastparametern wie Spannung, Strom und Induktivität ein Schaltlichtbogen zwischen den sich öffnenden Kontakten entstehen. Aufgrund der hohen Temperatur des Lichtbogens werden die Oberflächen der Schaltkontakte dabei stark beansprucht, was maßgeblich die elektrische Lebensdauer beeinflusst. Ziel ist es also, diesen Lichtbogen so schnell wie möglich zu löschen.

Bei Wechselspannungsanwendungen erlischt der Lichtbogen beim ersten Nulldurchgang des Stroms. Bei Gleichspannungsanwendungen kann die Lichtbogenbrenndauer deutlich länger sein und im Extremfall ein stehender Lichtbogen entstehen, der das Kontaktsystem des Relais zerstört und daher unbedingt vermieden werden muss. Die Abschaltfähigkeit bei Gleichspannungsanwendungen hängt im Wesentlichen vom Kontaktabstand ab, also der Strecke zwischen den geöffneten Kontakten.

Bei Spannungsnetzen mit 12 V DC, wie z.B. in Kraftfahrzeugen, ist die Abschaltfähigkeit bei bereits sehr kleinen Kontaktabständen ausreichend hoch. Bei einer Lastspannung von 16 V DC und einer Stromstärke von 100 A ist ein Kontaktabstand von 0,1 mm ausreichend, um einen stehenden Lichtbogen zu verhindern. Bei einer Lastspannung von 24 V DC und einer Stromstärke von 100 A beträgt der minimal notwendige Kontaktabstand bereits etwa 0,5 mm und bei 32 V DC und 100 A sind es bereits mindestens 1,0 mm.

Der Trick mit den Löschmagneten

Die Spannungen von aktuellen Fahrzeugbordnetzen für die Elektromobilität liegen im Bereich von 48 V DC bis zu 800 V DC. Hier wären ohne zusätzliche Maßnahmen Kontaktabstände notwendig, die nicht mehr effizient handhabbar sind. Für diese Spannungen sind andere Lösungsansätze zum effektiven Löschen des Lichtbogens beim Schalten elektrischer Kontakte nötig. Dazu gehört neben der Nutzung von Hubankermagnetsystemen und speziellen Schaltkammern auch der Einsatz von Löschmagneten (auch Blasmagnete genannt).

Die Wirkung von Löschmagneten beruht dabei auf einer Verlängerung des Lichtbogens. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich Lichtbögen durch äußere Magnetfelder ablenken lassen (Lorentzkraft – siehe Bild 1). Die magnetischen Feldlinien bestimmen in Kombination mit der Richtung des durch den Lichtbogen fließenden Laststromes die Richtung der resultierenden Kraftwirkung auf den Lichtbogen und verlängern diesen. Damit verbunden ist eine schnellere Abkühlung des Lichtbogens, was zum schnelleren Verlust der Leitfähigkeit der ionisierten Luft führt. Dieser Zusammenhang wird bei der Konstruktion von Leistungsschützen ausgenutzt, um den Lichtbogen in die dafür vorgesehenen Bereiche der Schaltkammer zu lenken.

Zusammenfassung

Die beim Schalten induktiver Lasten zwischen den Relaiskontakten entstehenden Lichtbögen belasten die Kontaktoberflächen stark und müssen so schnell wie möglich gelöscht werden. Dazu werden in Fahrzeugbordnetzen oberhalb von 48 V DC spezielle Löschmagnete verwendet.

* Jörg Einhorn arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Connectivity in Berlin.

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