Leistungsrelais: Hohe Ströme direkt auf der Leiterplatte schalten

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Fortschritte bei der Leiterplattentechnik und Relaistechnik haben dazu geführt, dass hohe Ströme in vielen Anwendungen direkt auf der Leiterplatte geführt und geschaltet werden können.

Das globale Bewusstsein für ökologische und nachhaltige Stromerzeugung wächst stetig: Energieerzeugung mittels Windkraftanlagen sowie kommerziell und für den privaten Haushalt genutzten Solaranlagen sind weiter verbreitet als je zuvor. Darüber hinaus wächst der Anteil an Elektrofahrzeugen auf Europas Straßen in immer stärkerem Maße. Einer Statistik der ACEA (European Automobile Manufacturers Association) [1] zufolge stieg die Zahl verkaufter Elektrofahrzeuge im 2. Quartal 2019 um 35,6% im Vergleich zum gleichen Zeitraum des Vorjahres.

Die zunehmende Elektrifizierung und der damit einhergehende Wandel in Märkten wie Energieerzeugung, Energiespeicherung und Elektromobilität verlangt nach neuen Lösungen für Energiemanagementsysteme. Bisher wurden hohe Lasten überwiegend durch Schütze geschaltet, die fest verdrahtet in Schaltschränken installiert waren.

Dank neuer Entwicklungen bei der Leiterplattentechnik (beispielsweise neue Multilayer-Platinen oder Hochleistungssteckverbinder) sowie ausgeklügelter Relaistechnik ist es mittlerweile möglich, hohe Ströme direkt auf der Leiterplatte zu führen und zu schalten.

Dabei muss man sich allerdings bewusst machen, dass Schütze und Relais nicht im „Plug-and-Play“-Verfahren gegeneinander ausgetauscht werden können. Vielmehr handelt es sich um grundsätzlich unterschiedliche Schaltelemente. Beide eint allerdings die Tatsache, dass es sich um fernbedienbare, elektrische Schalter handelt.

Mit elektromechanischen Relais lassen sich in vielen Bereichen kompaktere und energieeffizientere Lösungen umsetzen. So hat sich das Gesamtvolumen in cm³ in den letzten 20 Jahren mehr als halbiert, wohingegen die Leistungsdichte seit dem Jahr 2010 von rund 0,8 auf 1,1 KVA / cm³ stieg. Heutzutage ist es einfacher denn je, hohe Lasten mit immer kleineren Relais zu handhaben.

Kombination von Hochleistungsrelais mit moderner Leiterplattentechnik

Kombiniert man moderne Leiterplattentechnologie mit den von Panasonic Industry Europe neu entwickelten elektromechanischen Relais der Serie HE, lassen sich hohe Lasten direkt auf der Leiterplatte zu schalten. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass der Einsatz von Schützen im Schaltschrank in vielen Fällen überflüssig wird.

Die Serie HE ist für Lasten bis zu 120 A (HE-N) und bis zu 1000 V DC (HE-V) bei Umgebungstemperaturen bis zu 85°C ausgelegt. Dadurch sind die Leiterplatten-Relais (PCB-Relais) für Hochleistungsanwendungen wie Solarwechselrichter, Kfz-Ladestationen oder Batteriespeichersysteme geeignet. Das Relais ist nicht mehr verantwortlich für die Ansteuerung eines Sekundärschützes – es wird zum zentralen Element, denn in vielen Fällen sind keine weiteren Schütze mehr erforderlich.

Dies birgt eine Reihe von Vorteilen: Im Vergleich zu Schützen sind die Hochleistungs-Leiterplatten-Relais wesentlich kompakter. Die Version HE-S integriert beispielsweise zwei Schließer in einem extrem kleinen Gehäuse mit Abmessungen von 30 mm x 36 mm x 40 mm.

Darüber hinaus werden die HE-Relais direkt auf der Leiterplatte montiert, eine verschraubte oder verdrahtete Lösung im Schaltschrank entfällt. Das spart nicht nur Platz, sondern macht auch die manuelle Montage überflüssig. Diese vereinfachte Installation verbessert letztendlich die Qualität weil Verdrahtungsfehler vermieden werden und spart Kosten.

Reduzierte Verlustleistung führt zu weniger Eigenerwärmung des Relais

Neben der Bauteilgröße ist der reduzierte Energieverbrauch und damit die minimale Eigenerwärmung ein zentrales Merkmal der Relais der HE-Serie. Eine extrem geringe Verlustleistung an der Kontaktstelle wird durch einen kleineren Kontaktwiderstand zwischen 1 und 3 mΩ erreicht.

Somit tritt keine nennenswerte Erwärmung an den Kontakten auf – bei 35 A und einem Übergangswiderstand von 2 mΩ beträgt die Verlustleistung 2,45 W.

Erfolgt die Ansteuerung mittels reduzierter Haltespannung, kann eine sehr niedrige Spulenverlustleistung von 170 mW (bei 30% der Nennspulenspannung, 100% für mindestens 100 ms im Einschaltvorgang) erreicht werden. Das ist ein signifikant niedrigerer Energieverbrauch im Vergleich zu Standardschützen. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der reduzierten Erwärmung in den meisten Fällen eine Kühlung etwa durch zusätzliche Lüfter entfällt.

Anwendungsmöglichkeiten von PCB-Hochleistungsrelais

Die PCB-Hochleistungsrelais der HE-Serie eignen sich für viele Anwendungen im Energiemanagement. Wo hohe Ströme sicher, zuverlässig und kostengünstig geführt und geschaltet werden müssen, hat sich der Einsatz der HE-Relais bewährt. Hervorzuheben sind hier speziell (Solar-) Inverter, Kfz-Ladelösungen und Batteriespeicher-Systeme.

Da moderne Solar-Inverter und Batteriespeichersysteme immer kompakter werden, aber gleichzeitig Leistungsklassen von 60 bis 100 kW nicht mehr unüblich sind, steigen die Ansprüche an die Leistungsfähigkeit der schaltenden Elektronik. Gleiches gilt für den stark wachsenden Markt der Ladestationen für Elektrofahrzeuge.

Das Laden mittels hoher Ströme in immer kürzerer Zeit macht die E-Mobilität in Europa immer attraktiver für Kunden. Die Relaisstruktur des HE-S ermöglicht die optionale Implementierung eines 1FormB-Überwachungskontaktes, der ein Verschweißen der Hauptkontakte detektiert. Dieser Rückmeldekontakt entspricht der Norm EN60947-4-1 für Sicherheitskreise und der Norm EN61851-1, wodurch das HE-S Relais für PKW-Ladelösungen geeignet ist.

Effizienz, Zuverlässigkeit und Platzbedarf optimiert

Das Energiemanagement, sei es im Bereich der Elektromobilität, bei Wind-Kraftwerken oder bei Photovoltaikanlagen in Privathaushalten, birgt noch viel Entwicklungspotential. Es scheint sehr unwahrscheinlich, dass aktuelle Trends wie die Verwendung von erneuerbaren Energien oder alternativer Antriebe in naher Zukunft aus der Mode geraten.

Für Hersteller und Unternehmen stellt dies eine spannende Entwicklung dar, denn es bedarf neuer Lösungen, die die hohen Lasten sowohl sicher als auch effizient schalten.

Fazit: Leistungsrelais, die dank entsprechender Innenarchitektur und kompaktem Abmessungen direkt auf der Leiterplatte hohe Ströme führen und schalten können, haben das Potenzial, die Rolle des Relais in diesem Bereich zu revolutionieren.

Kurz gesagt, ersetzt man Schütze durch Leistungsrelais, die direkt auf die Leiterplatte gelötet werden, spart man Bauraum, Energie und letztendlich Kosten – ohne Kompromisse bei Qualität, Sicherheit oder Leistungsfähigkeit eingehen zu müssen.

Literatur

[1] www.acea.be/press-releases/article/fuel-types-of-new-cars-diesel-16.4-petrol-1.7-electric-35.6-in-second-quart (abgerufen am 17.9.2019)

Relaisforum 2019: Boom bei Relais-Applikationen – was Hersteller und Anwender umtreibt

Wärmemanagement: Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte entwärmen

Das elektromechanische Relais als Wegbegleiter der modernen Megatrends

Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Panagiotis Venardos ist Produkt-Manager für Leistungsrelais bei Panasonic Industry Europe in Ottobrunn.

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