Relaistipp Tauglichkeitstests für Relais in Kfz-Applikationen

Die unterschiedlichen Applikationen mit verschiedenen Lastarten und Schaltspielen erfordern oft eine zusätzliche Überprüfung der Tauglichkeit des Relais. Mit elektronischen Lastnachbildungen lässt sich die Prüfdauer erheblich reduzieren.

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Es ist schwierig, anhand der Herstellerangaben in den Datenblättern ein elektromechanisches Relais für das Schalten bestimmter Automobillasten zu identifizieren. Eine falsche Auswahl könnte zu weitreichenden Konsequenzen führen. Ein Komponentenausfall ist teuer und gefährdet zudem die Sicherheit des Kraftfahrers.

Relais sind zuverlässige und kostengünstige Schaltglieder, die jedoch aufgrund der mechanischen Konstruktion einer Alterung unterliegen. Um eine Fahrzeuglebensdauer von 15 Jahren und mehr zu überstehen, ist die Prüfung der zu erwartenden Lebensdauer sehr wichtig.

Wie kann beurteilt werden, ob ein Relais, das laut Datenblatt 200.000 Mal eine Widerstandslast von 30 A schaltet, stattdessen auch 100.000 Mal einen 350-W-Motor schalten kann? Da hier jeweils andere Belastungsmechanismen vorliegen, ist das nicht trivial. Die unterschiedlichen Applikationen mit verschiedenen Lastarten und Schaltspielen erfordern deshalb oft eine zusätzliche Überprüfung der Tauglichkeit, wobei mit elektronischen Lastnachbildungen die Prüfdauer erheblich reduziert werden kann.

Bei einer Lampenlast ist der Einschaltstrom der kalten Lampe typenabhängig bis zu zehnmal so hoch wie der Abschaltstrom. Wird hier mit den originalen Lasten geprüft, muss sichergestellt werden, dass die Lampe beim Wiedereinschalten kalt ist, um zu korrekten Ergebnissen zu gelangen.Auch Motoren erwärmen sich und erfordern eine Kühlung und lange Ausschaltzeiten für brauchbare Ergebnisse. Im Fall einer Lampe kann der Stromverlauf ermittelt werden und über regelbare Widerstandsnetzwerke recht exakt nachgebildet werden. Dies ermöglicht identische Prüfergebnisse in einem Bruchteil der Prüfzeit, die mit Originallasten notwendig wäre.

Motorlasten werden mit LCR-Netzwerken nachgebildet. Ein Kondensator in Reihe mit einer Induktivität simuliert den Motor-Anlaufstrom. Der Widerstand bestimmt den Strom unter Belastung. Die Induktivität sorgt für den Lichtbogen beim Öffnen der Relaiskontakte, der maßgeblich für die Kontakterosion und damit die Lebensdauer des Relais verantwortlich ist. Dabei wird oft übersehen, dass der Kondensator den Lichtbogen stark bedämpft und somit eine Verfälschung gegenüber dem Originallast-Test vorliegt. Um das zu verhindern, muss der Kondensatorzweig vor der Kontaktöffnung des Relais getrennt werden, damit die nachgebildete Last vergleichbare Ergebnisse erzielt.

Oft werden mit Relais auch Klemmen-Lasten geschaltet, die große kapazitive Einschaltströme und relativ kleine Abschaltströme aufweisen. Hier muss die Steilheit der Stromanstiegsflanke exakt nachgebildet werden, da Relaiskontakte beim Einschalten prellen können und die Stromhöhe beim Prellvorgang die Relaislebensdauer maßgeblich beeinflusst. Da Relais bei den Lebensdauerprüfungen oft mit einem überlagerten Temperaturwechsel im Ofen mit langen Zuleitungen betrieben werden, ist es aufgrund der Leitungsinduktivitäten schwierig, steile Anstiegsflanken zu generieren. Ein Verdrillen der Kondensator-Zuleitungen kann Abhilfe schaffen, da sich die Magnetfelder der Hin-, und Rückleitung neutralisieren und somit schnellere Anstiegsflanken erreicht werden können.

Umpollasten und gebremste Motoren simulieren

Umpollasten und gebremste Motoren lassen sich wegen der dynamischen Abhängigkeiten nur mit extremem Aufwand nachbilden. Deshalb sind Tests mit Originallasten meistens unumgänglich. Wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Kontaktmaterialien in den jeweiligen Relaiskonstruktionen verwendet, werden heute oft „Allround“-Kontakte eingesetzt, die sich durch eine hohe Verschweißfestigkeit auszeichnen, wie z.B. Silberzinnoxid-Kontakte.

Dadurch erweitert sich das Einsatzspektrum und sowohl hohe Einschaltströme (Lampen, Kondensatoren) als auch starke Motorlasten mit energiereichen Abschaltlichtbögen können mit den gleichen Relais geschaltet werden. Bei sehr spezifischen Anforderungen ist dennoch eine sorgfältige Kontaktauswahl wichtig, denn je nach Herstellungsverfahren und Materialzusammensetzung gibt es erhebliche Unterschiede im Schaltverhalten.

Ebenfalls sollten die Angaben des Relaisherstellers zur Last- und Spulenpolarität beachtet werden, da Kontaktpaarungen unsymmetrisch aufgebaut sein können und die Möglichkeit besteht, dass hohe Lastströme mit dem elektromagnetischen Antrieb des Relais wechselwirken und die Schaltdynamik beeinflussen.

Vor der Auswahl des geeigneten Relais sollte die Last und die angedachte Lebensdauer genau beschrieben werden. Sind diese Parameter bekannt, aber die Datenblattangaben nicht ausreichend, hilft eine Anfrage beim Hersteller, der auf differenzierte Tests zugreifen kann. Im Zweifelsfall wird ein neuer Test durchgeführt, um eine Eignung zu bestätigen.

* Michael Woinke arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Relay Products in Berlin.

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