Welche Auswahlkriterien man für Relaisspulen anwenden sollte

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Dynamik und Kraft so hoch wie möglich halten

Wir wissen, dass sich durch die Kupferkonstante α₀ mit zunehmender Erwärmung bei gleichbleibender Spannung die Stromstärke im System verringert. Damit verkleinert sich auch die Kraft im Magnetkreis. Daher muss es das Ziel der Spulenauswahl sein, die Dynamik und die Kraft des Relaisantriebs so hoch wie möglich zu halten.

Betrachten wir den Erregerspannungsbereich mit dem Ziel die notwendige Schaltdynamik über den gesamten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten wird schnell klar, dass die einfache Betrachtung der Nennspannung nicht die beste Lösung sein muss.

Verwenden wir nun in unserem Beispiel statt der 24 V DC Spule eine Relaisspule mit 18 V DC und einem Spulenwiderstand von 450 Ω. Dies ergibt bei einer Versorgungspannung von 24 V DC und 20°C Umgebungstemperatur 53 mA Spulenstrom und eine Spulenleistung von 1,27 W (Bild 3). Das Verhältnis U_B/U_N ergibt dann: (24 V)/(18 V)=1,33. Folgt man der Horizontalen beim Faktor 1,33 ist leicht abzulesen, dass dieses Relais auch bei 70°C Umgebungstemperatur noch eingesetzt werden kann.

Eine weitere Spannungserhöhung ist jedoch nicht zulässig, da sonst die obere Kurve 1 geschnitten wird und damit die 120°C Spulengrenztemperatur überschritten werden kann. Der Spulenwiderstand der 18-V-DC-Spule erhöht sich jetzt von 450 auf 630 Ω und der Spulenstrom stellt sich auf 38 mA ein. Dies gibt eine Spulenleistung von 912 mW.

Nun mag dieses Beispiel etwas holzschnittartig sein. Es weist jedoch auf die Möglichkeiten hin, die Schaltdynamik trotz Anstieg der Umgebungstemperatur hoch zu halten. Dass die Analyse der Relaisansteuerung notwendig ist, wird noch deutlicher bei Analyse der unteren Kurve 2 im Diagramm in Bild 3. Die untere Erregerspannungsgrenze liegt viel näher am Faktor 1. Daher ist die Erregung mit Unterspannung oft kritischer zu bewerten als eine Überspannung.

Die Nennspannung in den Datenblättern ist ein Wert für die Spulenerregung, welcher unter Laborbedingungen ermittelt wird. Wie stabil ist jedoch die tatsächliche Spannungsversorgung? Wie gleich ist mein Gleichstrom und welche Schutzelemente und sonstige Verbraucher verringern noch zusätzlich die Versorgungsspannung der Spule?

So kann die errechnete Versorgungsspannung schnell dahin schmelzen. Als Faustformel gilt, dass eine leichte Überspannung einen positiven Einfluss auf das Schaltverhalten hat. Dabei ist selbstverständlich, dass die Leistungsaufnahme und somit die Eigenerwärmung der Spule gering zu halten ist.

Aspekte zur Relaisansteuerung mit einbeziehen

Gehen wir einen Schritt weiter und beziehen die Ansteuerung des Relais mit ein. Eigentlich benötigen wir die „hohe“ Nennspannung der Spule bei monostabilen Relais nur für den Einschaltvorgang. Die hohe Energie wird genutzt, um beim elektromechanischen Relais den Anker des Magnetsystems über den Luftspalt hinweg in Bewegung zu versetzen, bis dieser am Spulenkern seine Endposition erreicht.

Nach Überwinden des Luftspaltes wird nur noch „geringe“ Energie benötigt, um den Anker in seiner Position zu halten. Dieser Wert liegt für monostabile Relais bei rund 1/3 der Nennleistung. In unserem Beispiel verringert sich der Leistungsbedarf von 700 auf 210 mW.

Durch Pulsweitenmodulation (PWM) der Spannung kann nach dem Einschaltvorgang, (ca. 100 bis 200 ms) das Tastverhältnis so herunter geregelt werden, dass nur noch die Halteleistung an der Spule anliegt. Dabei darf die Frequenz nicht zu klein gewählt werden, da sonst der Anker nicht stabil anliegt und anfängt zu „klingeln“. Neben möglicher, störender Geräusche kann massiver Verschleiß an den beweglichen Relaisteilen entstehen.

Die Frequenzen sollten im Bereich zwischen 10 und 20 kHz liegen. Beim Festlegen der Absenkleistung ist immer die Umgebungstemperatur einzubeziehen. Die PWM ist weit verbreitet und gerade im Hinblick auf „Green Design“ eine gute Möglichkeit, die Energiebilanz der Steuerung positiv zu beeinflussen.

Eine konservative Möglichkeit sowohl die Temperaturbelastung der Relaisspule als auch die Leistungsaufnahme zu verringern, stellt die Absenkung der Spulenspannung durch ein RC-Glied dar. Dabei können maximal 25 bis 30% der Energie eingespart werden. Die richtige Dimensionierung der Komponenten für das RC-Glied ist jedoch nicht immer ganz einfach. Bei fehlerhafter Bauteilewahl wird sogar mehr Energie verbraucht als ohne Sparschaltung. Nachteilig sind bei dieser Lösung die recht großen Bauformen der Kondensatoren. Aufgrund der Kondensatorladezeit sind außerdem schnelle Schaltzyklen nicht realisierbar.

Warum ist die Relaisauswahl bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten etwas diffiziler als bei Standardrelais?

In Anwendungen der funktionalen Sicherheit ist in der Regel das Ruhestromprinzip anzuwenden. Das System fällt nach dem Abschalten in seine Grundstellung zurück und somit sind Energiesparmaßnahmen wie bistabile Relais nicht verwendbar. Hinzu kommen noch Designvorgaben, die sich unter anderem aus der Norm EN 50205 für mechanisch zwangsgeführte Kontaktsätze ergeben. Diese führen zu erhöhtem Kraftbedarf des Relais. Einflussgrößen sind insbesondere:

• Kontaktabstand der gegenläufig wirkenden Kontakte von 0,5 mm beim „Nicht-Öffnungs-Fehler“.

• Überdimensionierungen von mechanischen Konstruktionsteilen (z.B. Anker­stößel).

• Höhere Abfallspannung von min. 10% der Nennspannung bei 20°C.

Dies führt dazu, dass die Leistungsaufnahme bei einer vergleichbaren Relaiskonstruktion mit zwei Wechslerkontakten beim zwangsgeführten Kontaktsatz eine ca. 30% höhere Spulenleistung erfordert.

Die Auswahl der bestmöglichen Spule ist gerade bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten ein Muss, um den Forderungen nach Energieeffizienz, Wärmebilanz und hoher Zuverlässigkeit gerecht zu werden. Daneben können Spulenanforderungen erfüllt werden, die über die allgemeinen Forderungen der Industrieautomation hinausgehen. Hierzu gehören sensitive Varianten ebenso wie spezielle Relaisspulen nach EN 50155 für Bahnanwendungen. Ein guter Dialog zwischen Hersteller und Anwender ermöglicht die rasche Auswahl der „besten Relaisspule“ für die jeweilige Anwendung. //

* * Jürgen Steinhäuser ist Vertriebs- und Marketingleiter bei Elesta relays in Bad Ragaz/ Schweiz.