Magnetismus in der Praxis – Relais-Basiswissen, Teil 5

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Im fünften Teil unserer Serie zu den technischen Grundlagen von Relais betrachten wir die Lebensdauer eines Relais und diskutieren Aspekte zur funktionalen Sicherheit.

Die Lebensdauer von elektromechanischen Relais, d.h. die Betriebsdauer bis zum Ausfall, hängt von der Belastung des Relais in der jeweiligen Anwendung ab. Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen der elektrischen, der mechanischen und der thermischen Lebensdauer.

Die elektrische Lebensdauer ist die mögliche Anzahl von Schaltspielen (Schaltzyklen) einer elektrischen Last. Am Ende der elektrischen Lebensdauer kann es zu einem Verschweißen der Kontakte (Relais öffnet nicht) oder zu einem Verschleiß der Kontakte durch Abbrand (Relais schließt nicht) kommen.

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Die mechanische Lebensdauer wird begrenzt durch Ermüdungsbrüche von Werkstoff oder Verbindungen (z.B. Federbruch oder Spulenriss), welche wiederum durch eine hohe Anzahl von Aktivierungen des Relais oder hohe Vibrations- oder Schockbelastungen verursacht werden können. Letzteres kann bei Relais, die beispielsweise direkt an Motoren oder in Türen angebracht werden, relevant sein.

Die thermische Lebensdauer ergibt sich aus Degradationseffekten der verwendeten Kunststoffe. Die niedrigste Grenztemperatur hat in der Regel der Spulendrahtlack (siehe auch Relais-Basiswissen Teil 4). Bei Anwendungen mit langen Betriebsdauern und hohen Umgebungstemperaturen ist es möglich, dass die thermische Lebensdauer auch die Gesamtlebensdauer des Relais bestimmt.

Bei der überwiegenden Anzahl von Anwendungen ist die Gesamtlebensdauer des Relais durch die elektrische Lebensdauer, also durch den Ausfall des Kontaktsystems begrenzt. Daher beschäftigen wir uns an dieser Stelle genauer mit der elektrischen Lebensdauer.

Statistische Betrachtungen zur elektrischen Lebensdauer

Beim Abschalten einer elektrischen Last entsteht ein Lichtbogen. Die Länge und Energie des Lichtbogens hängen hauptsächlich von der Schaltspannung, dem Schaltstrom und dem Kontaktsystem (Abschaltdynamik, Kontaktabstand und Kontaktwerkstoff) ab. Die Temperatur im Lichtbogen kann deutlich über 1000°C betragen und führt zu einer kurzzeitigen partiellen Aufschmelzung des Kontaktmaterials. Das aufgeschmolzene Kontaktmaterial kann dabei entweder herausgelöst (Kontaktabbrand) oder zwischen den Kontakten transportiert (Materialwanderung) werden.

Daher ist die elektrische Lebensdauer von Relais hauptsächlich durch die Anzahl der Schaltspiele begrenzt und nicht durch die Betriebsdauer. Die Anzahl der möglichen Schaltspiele hängt wiederum von den Parametern der Anwendung ab.

Um die Eignung eines Relais für eine bestimmte Applikation zu bewerten, müssen erstens die erwarteten Schaltspiele der Anwendung bekannt sein und zweitens die statistische Lebensdauer des Relais in dieser Anwendung.

Statistische Bewertung der Lebensdauer

Häufig wird als statistische Größe der B10-Wert verwendet. Dieser Wert gibt die Schaltspielzahl an, nach der 10% der Relais einen Schaltfehler haben. Die Testbedingungen zu Ermittlung des B10-Wertes von Relais sind u.a. in der IEC 61810-2 spezifiziert.

Der schwedische Mathematiker Waloddi Weibull veröffentlichte 1951 eine nach ihm benannte Wahrscheinlichkeitsverteilung, welche sich für die statistische Bewertung der elektrischen Lebensdauer von Relais bewährt hat. Bild 1 zeigt das Beispiel einer statistischen Lebensdauerauswertung nach Weibull anhand von zehn Relais, welche bis zum ersten Schaltfehler getestet wurden. Der B10-Wert beträgt hier 188000 Schaltspiele.

Zusätzlich lässt sich die Aussagewahrscheinlichkeit (Confidence Level) der Überlebenswahrscheinlichkeit (Reliability) berechnen. Übliche Angaben sind 90% Überlebenswahrscheinlichkeit (R90) bzw. 10% Ausfallwahrscheinlichkeit mit einer Aussagewahrscheinlichkeit von 90% (CL90).

In der Beispielgrafik beträgt dieser Wert 167000 Schaltspiele, d.h. mit einer Wahrscheinlichkeit von 90% werden 90% der Relais unter den Testbedingungen mindestens 167000 Schaltspiele erreichen.

Funktionale Sicherheit bei Relaisapplikationen

Für die Betrachtung der funktionalen Sicherheit von elektrischen und elektronischen Systemen (siehe IEC 61508) wird meistens die Ausfallrate pro Zeit (FIT) oder mittlere Zeit bis zum Ausfall (MTTF) der einzelnen Komponenten benötigt. Dabei bezeichnet „FIT“ = „failure in time“ die Ausfälle pro 10⁹ Stunden und „MTTF“ = „mean time to failure“ die Zeit bis zum Ausfall in Stunden.

Sind die durchschnittliche Schaltfrequenz der Anwendung und die statistische Lebensdauer des Relais in der Anwendung bekannt, lassen sich diese Werte berechnen. Es gilt: MTTF = Mittelwert der Weibullverteilung / Schaltfrequenz sowie FIT = 10⁹ / MTTF. Nehmen wir an, die Anwendung aus der Beispielgrafik wird durchschnittlich zweimal am Tag geschaltet, dann ergibt sich ein MTTF von 2817540 Stunden und 355 FIT.

Sind ein oder mehrere Parameter, wie beispielsweise die Schaltfrequenz oder die statistische Lebensdauer unbekannt, ermöglicht die Siemensnorm SN 29500-7 eine Schätzung des FIT-Wertes anhand von Temperatur-, Umwelt- und Lastbedingungen sowie der Relaiskonstruktion.

Der große Vorteil der Weibull-Auswertung gegenüber FIT- und MTTF-Werten ist, dass die Weibull-Verteilung Informationen über die Streuung der Fehler und die Aussagewahrscheinlichkeit der Fehlerverteilung ermöglicht.

* Olaf Lorenz arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Connectivity in Berlin.

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