Trends und Entwicklungen bei elektromechanischen Relais

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Bürklin GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Elektromechanische Relais sind heute gefragter denn je. Ein Grund liegt in der Anpassungsfähigkeit an neue Anforderungen. Der Beitrag zeigt den Stand der Technik und was zukünftig bei Elementarrelais technisch möglich ist oder nicht.

Dass Relais nicht nur ihren Platz als preiswerter und universeller Schalter verteidigen, sondern sogar ausbauen, ist der Tatsache zu verdanken, dass Hersteller die Funktion und das Design der Relais immer wieder den vielfältigen Anforderungen anpassen. Sofern neue Anforderungen über eine bestimmte Gruppe von Relais hinaus Bedeutung erlangt, sprechen wir von Megatrends, die zu Treibern von Relaisplattform-Entwicklungen werden.

Anhand von Projekterfahrungen, Patenten und technischen Lösungen wird in diesem Artikel gezeigt, welche neuen Antworten die Hersteller von Elementarrelais suchen bzw. gefunden haben und warum nicht alles was technisch möglich ist auch in neue Relaisdesigns einfließt.

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Bei der Entwicklung neuer Schaltlösungen richten die Relaishersteller ihre Aufmerksamkeit auf Marktanforderungen sowie auf neue Technologien zur Verbesserung des Relais. In einem Artikel aus dem Jahr 2016 [1] wurde bereits der Versuch unternommen, aus der 180-jährigen Vergangenheit des Relais in die Zukunft zu blicken. Die dort gezeigte Analyse der Märkte und Technologien wird in diesem Beitrag detaillierter hinterfragt.

Megatrends sind Anforderungen an Funktion oder Design, die nicht nur für eine bestimmte Marktnische Gültigkeit haben, sondern sich auf viele Formen von Relais auswirken. Eine Klassifizierung, die allen Relaisformen gerecht wird, ist schwierig. Aus Herstellersicht macht eine Unterscheidung nach Breite der Verwendung strategisch Sinn. So bedienen Automobilrelais, Power-PCB-Relais, Steckrelais und Signalrelais die Stückzahl mäßig großer Märkte. Zu den Spezialrelais gehören dagegen beispielsweise Aerospace-Relais, Bahnrelais, Hochspannungs- und Hochfrequenzrelais und Relais mit zwangsgeführten Kontakten.

Folgende allgemeingültige Trends lassen sich beobachten:

• Miniaturisierung durch Spezialisierung,

• Sicherheit durch Kontaktüberwachung,

• Zuverlässigkeit durch Vorhersage,

• Kosten-Nutzen-Wettbewerb getrieben durch alternative Schalttechnologien.

Veränderungen durch Miniaturisierung

Die Miniaturisierung zielt auf eine Volumenverkleinerung des Endgerätes und damit nicht zwangsläufig auf eine Verkleinerung des Relais. Viele Relaisentwicklungen beschäftigen sich mit der Steigerung der Schaltleistung, was einen Austausch größerer Bauelemente ermöglicht.

Eine weitere Form der besseren Volumenausnutzung ist die Anpassung der äußeren Dimension z.B. durch besonders schmale oder flache Relais. Eine wirkliche Volumenverkleinerung eines Relais ist bei gleichbleibender Schaltleistung dagegen selten. Dies hängt zusammen mit den Herausforderungen, die sich bei einer Miniaturisierung des Schaltraumes oder der Verkleinerung des Antriebes ergeben.

Nachfolgend einige Beispiele: Um möglichst hohe Lasten zu schalten, kann das Relais auf die Schaltlast angepasst werden. So müssen Kontaktsysteme für hohe Einschaltlasten anders ausgelegt werden als auf induktive oder DC-Lasten spezialisierte Systeme.

Bei AC-Lasten ermöglicht die Nullpunktschaltung den Einsatz kleinerer Relais. Besonders effektiv wird diese Art der Schaltung durch den Einsatz von prellarmen Relais wie sie in [2] diskutiert wurde.

Die bereits in [1] genannten technologischen Herausforderungen bei der Miniaturisierung von Relais wie Wärmemanagement, Schaltraumbegrenzung, Isolationsvermögen, Maßhaltigkeit und Fertigungstechnologie lassen die Kosten eines verkleinerten Designs stark ansteigen. Das in [3] vorgestellte Relais zeigt dennoch eine durch Fokussierung auf die Zielapplikation bemerkenswerte Größenreduzierung.

Die Erwartung der meisten Kunden, dass Miniaturisierung der Relais einhergeht mit gleich-bleibenden oder gar sinkenden Preisen, lässt sich bei dem bereits erreichten Stand der Technik kaum noch mit herkömmlichen Relaisprinzipien verwirklichen.

Sicherheit durch Kontaktüberwachung

Die Zahl der Applikationen, in denen Relaisfehler wie z.B. das Nicht-Öffnen der Kontakte, Gefahren auslösen können, hat sich in den letzten Jahren erhöht. So kamen im Zusammenhang mit Hochspannungsbatterien in Elektrofahrzeugen oder Abschaltungen von Photovoltaikanlagen Fragen nach der Zuverlässigkeit des Schaltens auf.

Bei hohen Ansprüchen an die Sicherheit werden zur Kontaktüberwachung zwangsgeführte Kontakte eingesetzt. Für weniger kritische Anwendungen sind gegebenenfalls Mirror-Kontakte nach DIN EN 60947-4-1 ausreichend. Eine nur indirekte Überwachung streben Lösungen an, die lediglich die Ankerbewegung magnetisch oder die Veränderungen der Spuleninduktivität zum Nachweis der Kontaktposition verwenden.

Eine Vielzahl an Patenten zeigt, dass auch die Kontaktüberwachung mittels Sensoren vorteilhaft sein kann. Jedoch treten im Innenraum eines Relais besonders harte Umgebungsbedingungen auf. Magnetfelder, Verschmutzung und hohe Temperaturen schränken die Einsatzmöglichkeiten von Sensoren stark ein.

Zuverlässigkeit durch Vorhersage

Im Zusammenhang mit Industrie 4.0 erlangt die Ausfallvorhersage große Aufmerksamkeit. Um den Ausfall eines Relais vorherzusagen, haben sich zwei unterschiedliche Herangehensweisen etabliert: In [4], [5] wird versucht, das Verhalten des Relais anhand seiner Parameter in der realen Applikation zu simulieren. Hierfür ist es nötig, einen digitalen Zwilling des einzelnen Relais zu erstellen und mechanische Parameter des Relais im Feld kontinuierlich zu vermessen. In einem alternativen Ansatz sollen dagegen vorher bestimmte Indikatorgrößen im Feld vermessen und kritische Abweichungen zur Vorhersage herangezogen werden.

Die Kernfrage jeder Vorhersage ist die nach der statistischen Aussagesicherheit. Da keiner der beiden Ansätze bereits in der Praxis erprobt werden konnte, lässt sich dieser Wert bislang noch nicht bestimmen.

Das eigentliche Ziel der Vorhersage, die Erhöhung der Zuverlässigkeit, wurde in einem an-deren Ansatz durch integrierte Redundanz angestrebt. Das von TE Connectivity auf der SPS 2015 vorgestellte Konzept eines ‚selbst reparierenden‘ Relais musste lediglich den eingetretenen Fehler erkennen. Eine integrierte Umschaltung auf das redundante Relais hielt den Betrieb aufrecht.

Aber auch hier zeigte sich, wie auch bei der Vorhersage, ein grundlegendes wirtschaftliches Problem. Der Aufwand für zusätzliche Sensorik, Elektronik, Spannungsversorgung und Isolation übersteigen sehr schnell die Kosten eines Relais um das Vielfache. In Konkurrenz mit der Vorhersage stehen daher die klassische Wartung, eine Überdimensionierung des Relais oder redundante Komplettsysteme.

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