Anbieter zum Thema

TE Connectivity

Bürklin GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Halbleiterelektronik – Konkurrent oder Komplement?

Die Wahl eines elektronischen Schaltelementes wird häufig dadurch begründet, dass die Halbleitertechnik nicht durch Verschleiß ausfällt. In der Tat finden sich z.B. in programmierbaren Steuerungen etwa zehn Mal so viel elektronische Ausgänge wie elektromechanische Relais. Jedoch lässt sich anhand des Marktwachstums der Relais nachweisen, dass von einer Ablösung keine Rede sein kann [1]. Vielmehr geben die unterschiedlichen Schalteigenschaften Entwicklern Gelegenheit, je nach Anforderung das geeignetste Element auszuwählen. Hybrid-Relais sind ein Beispiel dafür, wie sich diese beiden Technologien erfolgreich kombinieren lassen.

Der Vorteil elektromechanischer Elementarrelais, die galvanische Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis bereits integriert zu haben, muss bei elektronischen Schaltelementen noch ergänzt werden. Sogenannte Halbleiter- oder PhotoMOS-Relais verfügen dazu über einen Optokoppler. Auch den Vorteil der sich selbst regenerierende Trennstrecke zwischen den geöffneten Kontakten besitzen Halbleiter nicht und müssen daher mit externen Schutzelementen oder integrierter Strombegrenzung ausgerüstet werden.

Bildergalerie

Obwohl beide Technologien je nach Einsatzparameter ihre Vorteile haben, beeinflussen Innovationen auf dem Gebiet der Halbleitertechnik auch die Anforderungen an elektromechanische Relais. Der Erwartungsdruck, Elementarrelais immer kleiner zu bauen, wird beispielsweise dadurch befördert, dass sich Schaltgeräte mit Halbleiter-Schaltelementen häufig kleiner bauen lassen. Allerdings ist der Preisunterschied wiederum ein starkes Argument für die Wahl eines elektromechanischen Relais, welches aber mit sinkenden Herstellkosten der Halbleiterschalter durch noch effizientere Relais verteidigt werden muss.

Halbleiterrelais werden sich in Breitenanwendungen mit niedrigen Spannungen und geringen Isolationsanforderungen, zum Beispiel im Telekombereich, stärker durchsetzen. Aber auch MEMS-Relais (micro-electro-mechanical-systems) können die beiden heute vorherrschenden Schalttechnologien weiter ergänzen [6].

Um zu hinterfragen, wie neue Technologien das Relaisdesign der Zukunft beeinflussen werden, wurden deutschsprachige Patente zu Elementarrelais aus den Jahren seit 2016 klassifiziert. Die untersuchten 172 Patente richten sich erwartungsgemäß auf die auch stückzahlmäßig größten Segmente der Relais für Hausgeräte, Industrie und Automobil (Bild 1). Interessant sind auch die Anteile der Relais für Hochspannungsanwendungen z.B. im Elektroautomobil sowie Metering. Darin kommt der Zusammenhang zwischen der steigenden Marktbedeutung dieser Relais und den Entwicklungsaktivitäten der Relaishersteller zum Ausdruck.

Zukünftige Entwicklungen bei Relais

Etwa die Hälfte aller Patente zielt auf die Verbesserung der Zuverlässigkeit und des Schaltvermögens und damit auf die grundlegenden Stärken eines Relais gegenüber einem Halbleiterschalter (Bild 2). Erwartungsgemäß spielt auch die Überwachung eines Relais eine starke Rolle, wobei diese vorwiegend durch äußere Beschaltung realisiert wird. Allein 30 Patente, die vor allem von Relaisanwendern eingereicht wurden, richten sich auf die Ansteuerung bzw. elektronische Auswertung der Relaisfunktion (Patente zu äußerer Beschaltung, in Bild 1 nicht enthalten).

Patente, die die Miniaturisierung zum Ziel haben, verbessern vor allem die bekannten Teile des Elementarrelais. Daher sind hier eher kleine Schritte zur Größenreduzierung des Relais zu erwarten. Der volumenmäßig größte Teil eines 1-poligen Relais, der Aktor (Magnetkreis), wird durch die Patente eher evolutionär als revolutionär verändert. Wenngleich uns anscheinend die Spule mit Magnetkreis auch in Zukunft erhalten bleiben wird, haben die Patente [7], [8] dennoch eine Verkleinerung zum Ziel, indem zwei Kontaktsätze mit nur einer Spule betrieben werden können.

Kommen neue Antriebssysteme beim Relais?

Es bleibt die Frage, warum der Antrieb nicht wenigstens in einigen Spezialapplikationen durch alternative Strom-Kraft-Wandler ersetzt wird. Gibt es für einen analog bewegten Piezoantrieb eine integrierte Lage Sensorik durch Formgedächtnislegierungen oder für fast leistungslose elektroaktive Elastomere keine Anwendung?

Die Antwort liegt im kaufmännischen Bereich, denn auch Miniaturisierung oder Wartungseinsparung habe einen kalkulierbaren Nutzen, der mit den Mehrkosten dieser Antriebe und anderer smarter Ideen in den heute bekannten Applikationen deutlich überschritten ist.

Was es mit „Smarten“ Relais auf sich hat

Die breite Verwendung des Begriffes „smart“ lässt eine Kategorisierung intelligenter Relais als sinnvoll erscheinen. So könnten Ideen, die sich ausschließlich auf das Schalten und Isolieren beziehen und damit die Funktion des Relais nicht erweitern, zur Kategorie 0 gerechnet werden. Neue Antriebe oder auch Hybrid-Relais würden dazu zählen.

Wenn durch eine interne Maßnahme eine Relaischarakteristik wie der Schaltzustand oder die Temperatur angezeigt oder gemessen wird, entspräche dies einer Kategorie 1. Ist das Relais darüber hinaus in der Lage auf Veränderungen zu reagieren, könnte man von einer Smart Relais Kategorie 2 sprechen. Wird z.B. in ein Elementarrelais eine Sicherungsfunktion eingebaut oder verriegelt es sich, sobald ein Fehler auftritt, sind dies einfache implementierte Reaktionen.

Für komplexere Aufgaben bis hin zur Fehlervorhersage werden dann in der Kategorie 3 externe Steuerelemente oder gespeicherte Informationen notwendig sein. Für ein solches smartes Relaisgerät werden zum Beispiel im Patent [9] Lebensdauerangaben gespeichert und mit Hilfe einzugebender Lastdaten eine Restlebensdauer errechnet.

Der Autor schlägt diese Kategorisierung vor, um zielgerichtet neue Potentiale für smarte Relais zu hinterfragen. Der Schritt vom Elementarrelais zum smarten Relais bedeutet jedoch auch eine Veränderung in den Lieferanten-Kunden-Beziehungen. Der potentielle Nutzen, der zur Entwicklung smarter Relais führen kann, ist nicht mehr so einfach durch Schaltleistung, Größe und Preis definierbar, sondern ergibt sich oft erst im Anwendungsfall des Endkunden. Relaishersteller sind also auf intensiven Austausch mit Partnern entlang der Lieferkette angewiesen.

Fazit: Neue Ansätze benötigen noch den kommerziellen Anreiz

Im Bestreben robuste, universelle und preiswerte Relais anzubieten, wird man auch morgen auf die bereits bekannten Relaistechnologien setzen. Teilereduktion, sichere Kontaktierung, bessere Toleranzbeherrschung und Fortschritte in der Automatisierung werden die ohnehin schon von Kunden geschätzten niedrigen Fehlerraten weiter senken und Robustheit auch unter extremen Umweltbedingungen garantieren.

Neue Ansätze vom alternativen Antrieb bis zum smarten Relais benötigen noch den kommerziellen Anreiz durch erweiterte Vorteilsszenarien in wahrscheinlich spezialisierten Märkten.

Das Relais als Bestandteil komplexer Steuerungen kann die Anforderungen, die sich mit der Elektrifizierung und Digitalisierung ergeben, nur in Zusammenarbeit zwischen Kunde und Hersteller erfüllen, was auch in der These 2 des Innovationspapiers „Wandel verstehen – Zukunft gestalten“ des Fraunhofer-Verbunds Innovationsforschung zum Ausdruck kommt: „Ausgehend von der präzisen Identifikation des tatsächlichen Nutzerbedarfs werden Technologie und Nutzerfunktionen in frühen Innovationsphasen aufeinander abgestimmt und in Wertschöpfungsnetzwerke von Akteuren wie Zulieferern und Kunden eingebunden.“ [10]

Literatur

[1] F. Liebusch: „Wie sieht das elektromechanische Relais der Zukunft aus?“, https://www.elektronikpraxis.de/wie-sieht-das-elektromechanische-relais-in-zukunft-aus-a-522659/ Access: 2018-06-11

[2] H.P. Dietrich, L. Feige: „Eine Kooperation, die das Leben verlängert“, https://www.panasonic-electric-works.com/cps/rde/xbcr/pew_eu_en/fb_x61_de_einformationen_201004.pdf Access: 2018-06-11

[3] C. Gregorius: „Mini-Elementarrelais mit Zwangskontakten ermöglicht kleinere Sicher-heitsrelais“, https://www.all-electronics.de/mini-elementarrelais-mit-zwangskntakten-ermoeglicht-kleinere-sicherheitsrelais/ Access: 2018-06-11

[4] T. Knostmann: „Digitaler Zwilling – Simulation im Betrieb“, http://www.cadfem.de/fileadmin/PDFs/Aktuelles/Veranstaltungen/Digitaler-Zwilling/Digitaler-Zwilling-Relais.pdf Access: 2018-06-11

[5] R. Hoffmann: „Metamodelle in einem cyber physischen Relais- System “Digitaler Zwil-ling”“, https://www.dynardo.de/fileadmin/Material_Dynardo/bibliothek/WOST14/01_WOST2017_Session1_Hoffmann.pdf Access: 2018-06-11

[6] J. Happich, “MEMS goes into 10A power switches”, http://www.eenewsanalog.com/news/mems-goes-10a-power-switches Access: 2018-06-11

[7] L. Mader, T. Teixeira, „Elektromagnetisches Relais für drei Schaltpositionen“, Patent EP-3211653-A1, published 2017

[8] J. Pullmann, C. Zinser, A. Spataro, M. Giger, H. Schwenkel, R. Rupp, „Sicherheitsschalt-gerät zum fehlersicheren Abschalten einer elektrischen Last“, Patent WO-2016150859-A1, published 2016

[9] J. Weidenmüller, S. Henneberger, F. Behre, F. Dold, „Steuerungsvorrichtung zum Steu-ern eines Schaltelements“, EP-3142136-A1, published 2017

[10] Fraunhofer-Verbund Innovationsforschung, „Wandel verstehen – Zukunft gestalten“, https://www.innovationsforschung.fraunhofer.de/content/dam/iao/innovationsforschung/documents/impulspapier-wandel-verstehen-zukunft-gestalten.pdf Access: 2018-06-11

Überlebenskünstler Relais in Digitalisierung und Automation

Wie Sie eine Relaisspezifikation technisch richtig schreiben

Halbleiterrelais oder elektromechanische Relais: Lebenszeitkosten

* Frank Liebusch ist Business Development Manager Relais bei der Business Unit Industrial bei TE Connectivity Germany GmbH in Berlin.

(ID:45466565)