Relaisbasierte Kurzzeitapplikationen im Kfz

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Die temperaturkritischen Materialien eines Relais

Was sind nun die temperaturkritischen Materialien eines elektromechanischen Relais? Hier sind der Isolationslack des Spulendrahts und die Kunststoffteile wie Sockel, Gehäuse und Spulenkörper zu nennen.

Durch den relativ hohen Anteil von Edel- und Halbedelmetallen, hauptsächlich Eisen und Kupfer (~ 60 bis 70% des Gesamtgewichts des Relais), ist die Wärmekapazität von elektromechanischen Relais wesentlich größer als die von anderen elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte. Anders ausgedrückt, die Zeit zum Erreichen der maximalen Temperatur bei Strombelastung ist wesentlich länger.

Sie liegt zwischen 3 bis 4 min. Die Leiterplatte, die hier als Temperatursenke oder Abwärme-Reservoir für das Relais dient, puffert bzw. verzögert das Erreichen des Gleichgewichtszustandes mit seiner Umgebung.

Dadurch können elektromechanische Relais deutlich stärker überlastet werden als beispielsweise Halbleiter. Oft ist es möglich, kurzzeitig den zehnfachen Nennstrom zu führen. Auch das Anlegen der doppelten Nennspannung an die Relaisspule ist über einen längeren Zeitraum möglich, ohne das Relais zu schädigen.

Mit der Kenntnis dieser Eigenschaft sollte dem Grenzdauerstrom bei Kurzzeitanwendungen nicht so große Beachtung geschenkt werden. Zumal die von den Relaisherstellern angegebenen Dauerstrombelastungen nicht immer vergleichbar sind. Das gilt im Besonderen für Leiterplattenrelais. Zwar gibt es eine IEC Norm (IEC 61810-7 im Anhang A) nach der festgelegt ist, wie die Werte der Dauerstromtragfähigkeit zu bestimmen sind. Diese werden jedoch ohne eine Leiterplatte ermittelt.

Daher gelten die nach dieser Norm ermittelten Werte nicht als sehr verlässlich für den Anwender. Hinzu kommt, dass das jeweilige Design der Leiterplatte das thermische Verhalten der Relais beeinflusst und der tatsächliche Grenzdauerstrom nur durch CFD-Temperatursimulation und / oder Messung ermittelt werden kann.

Bei den in Tabelle 1 genannten Kurzzeitapplikationen mit einer Aktivierungszeit zwischen 0,2 bis 60 s können wir so den Parameter der Dauerstrombelastung außer Acht lassen.

Der Einschaltstrom I_{max, ein} der Motoren

Der Verlauf der Stromanstiegskurve wird durch die zu schaltende Induktivität der Motoren oder Spulen bis zum Erreichen des Maximalstromes verzögert (Bild 2 A-D). Nachdem der Motor angelaufen ist, fällt der Strom auf den Nennwert zurück; bei Erreichen der Endposition steigt der Strom dann wieder an (Blockposition Bild 2 D). ZV- und FH-Motoren gehören in diese Gruppe.

Durch zusätzliche elektronische Bauelemente im Lastkreis, welche die elektronische Schaltung auf der Leiterplatte schützen sollen, kann die Kurvenform jedoch leicht verändert werden. Für Relais sind die Einschaltströme im Allgemeinen gut beherrschbar.

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