Gebäudeautomation Neue Anforderungen für Relais für intelligente Gebäude

Wohn- und Büroumgebungen verändern sich. Die Steuerungen der neuen Systeme bedingen neue Relaistypen wie Gleichstromrelais. Ein Überblick zu den veränderten Anforderungen.

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Unsere Wohnungen und Büros unterliegen zahlreichen Veränderungen, als Reaktion sowohl auf die Pandemie einerseits als andererseits auch auf die Notwendigkeit, unseren ökologischen Fußabdruck durch weniger Energieverschwendung zu verringern.

Infolgedessen gewöhnen wir uns alle daran, in intelligenten Häusern und Büros zu leben und zu arbeiten, und versuchen, diese um neue Funktionen wie Mikroenergieerzeugung und Ladestationen für Elektrofahrzeuge zu erweitern.

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Öffnet man die Gehäuse so gut wie fast aller dieser Systeme, findet man am Ausgang elektromechanische Leiterplattenrelais. Sie sind beliebt, weil sie zuverlässig arbeiten und sicher sind, eine hohe Isolation bieten und kostengünstig sind. Relaishersteller wie Omron haben die Chancen der Gebäudeautomatisierung erkannt und neue Lösungen entwickelt, um die Herausforderungen dieser Anwendungen zu meistern.

In typischen Gebäudeautomationssystemen sind die Lasten sehr unterschiedlich und umfassen Heizung, Klimatisierung, Beleuchtung und andere Elemente.

Gebäudeautomationssysteme: Das muss das Relais können

Die aktuellen Technologien stellen neue Anforderungen an die Relais. Hersteller haben daher eine Reihe von Plattformrelais entwickelt, die alle unterschiedlichen Anforderungen eines Gebäudeautomationssystems erfüllen. So bietet die G5Q-Familie verschiedene Spezifikationen mit demselben Leiterplatten-Anschluss, um unterschiedliche Schaltanforderungen zu erfüllen.

Wie bei anderen Bauteilklassen auch sind die Relaishersteller gefordert, ihre Bauteile kompakter zu gestalten. Früher waren Designs mit einer Länge von fast 30 mm durchaus akzeptabel – heute nicht mehr. Das G5Q ist daher nur 20 mm lang, 15 mm hoch und 10,3 mm tief, bietet aber viele technische Funktionen.

Spezifische Anwendungen haben ihre eigenen Herausforderungen. So erzeugen beispielsweise LED-Beleuchtung, Wasserpumpen und kapazitive Eingangsfilter mit Leistungsfaktorkorrektur hohe Einschaltströme, die in der Regel Mikrosekunden lang sind. Dadurch werden die Relaiskontakte extrem belastet. Wenn Relaiskontakte miteinander verschweißen, zerstört dies das Relais und damit das Gerät. Der Typ G5Q-1A-EL2 (Bild 1) wurde für kapazitive Einschaltströme im µs-Bereich entwickelt.

Solche Relais schalten Einschaltströme von 40 A/100 µs und Nennabschaltströme von 1 A/250 V AC bis zu 100.000 Mal. Erreicht wurde dies durch eine neue Kontaktform mit optimierter Federkraft, die das Prellen der Kontakte unterdrückt und damit die Lichtbogenbildung reduziert und die Lebensdauer erhöht.

Der gleiche Aufbau ist für induktive Motorlasten (z.B. Lüfter) verfügbar, für die länger anhaltende Einschaltströme im Millisekundenbereich charakteristisch sind. Das G5Q-1A-EL3 ist entsprechend ausgelegt und kann ca. 300.000 Schaltspiele mit 250 V AC/30 A 500 ms Einschaltstromstoß (induktive Last) mit 3 A Abschaltstrom durchführen.

PWM-gesteuerte und selbsthaltende Relais

Relais verbrauchen für ihren Betrieb selbst Strom, daher ist die Reduzierung dieses Stroms auch ein Anliegen der Systementwickler. Die Hauptquelle hierfür ist der „Spulenhaltestrom“, der benötigt wird, um den Relaiskontakt geschlossen zu halten, wenn der Stromkreis unter Spannung steht.

Die niederländischen Entwickler haben Relais auf den Markt gebracht, die eine Pulsweitenmodulation (PWM) des Haltestroms unterstützen, wodurch das Tastverhältnis und damit der durchschnittliche Strom reduziert werden. Die Relais G2RL, G5Q und G5NB sind jetzt in dieser Form erhältlich und bieten eine um 75 bis 90 % niedrigere Spulenleistung als vergleichbare Standardversionen.

Dies senkt den Stromverbrauch und damit die Wärmeentwicklung im Relais, verbessert den Wirkungsgrad und reduziert die thermische Belastung insbesondere bei Anwendungen, in denen Relaisbatterien eingesetzt werden.

Alle drei Familien sind optional in IEC/EN 60335-1 konformen Versionen erhältlich.

Bei selbsthaltenden Relais ist ein Haltestrom für die Spule nicht notwendig. Das bistabile 16-A-Relais G5RL-K-EL (Bild 2) beispielsweise ist nach IEC60669-1 zugelassen und verfügt über eine hohe Einschaltstrombelastbarkeit von bis zu 255 A, wodurch es sich für anspruchsvolle Schaltumgebungen mit stark schwankenden Lasten eignet.

Das Gerät ist auch mit der internationalen Sicherheitsnorm für elektrische/elektronische Haushaltsgeräte (IEC60335-1) kompa­tibel.

Ladestationen für Elektroautos und Sonnenkollektoren

Neuere Gebäudefunktionen wie Energiespeichersysteme (ESS) für Solarpaneele oder Ladestationen für Elektrofahrzeuge (Vehicle to Home, V2H) haben ihre eigenen spezifischen Schaltanforderungen. Dafür ist das DC-Leistungsrelais G5PZ-X mit geringem Platzbedarf geeignet, das ohne Leistungseinbußen Platz auf der Leiterplatte spart.

Ein einzelnes Relais (Bild 2) mit Abmessungen von 15,2 mm x 26,4 mm (Breite x Länge) deckt 200 VDC/20 A ab, zwei Relais in Reihe geschaltet können Lasten bis zu 400 VDC/20 A schalten.

* Iker Saenz ist Product Marketing Manager bei Omron Electronic Components Europe B.V. in Hofdoorp / Niederlande.

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