Alternative zu Schützen Wie man den Platzbedarf von Hochstromschaltern reduziert

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Leiterplattenrelais mit höherer Strombelastbarkeit und integrierter Fehlererkennung eröffnen eine Alternative zu Schützen bei Nennströmen von 50 bis 300 A. Was Sie bei der Umstellung beachten müssen.

Der Trend zur Elektrifizierung steigert die Nachfrage nach Aufrüstungen und Modernisierungen in allen Infrastrukturen -- von Solar- und Windkraftanlagen bis hin zu den Verbrauchsstellen. Ein entscheidender Aspekt hierbei ist die Leistungssteuerung. Gerätschaften für den Einsatz in Wohngebäuden stehen unter starkem Kostendruck. Dabei ist eine Miniaturisierung gefordert, um unauffällige Designs zu ermöglichen. In der industriellen Elektrifizierung hingegen werden vorherrschend Zuverlässigkeit und Fehlerbehandlung verlangt. Fortschritte bei der Effizienzsteigerung hingegen sind überall gefragt.

Schalten von hohen Strömen: Schütze vs. Relais

Wenn es um den Umgang mit hohen Strömen und Spannungen geht, werden bevorzugt elektromechanische Schalter wie Schütze und Relais eingesetzt. Denn sie bieten hohe Nennwerte und isolieren inaktive Lasten sicher.

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Schütze verfügen in der Regel über größere elektromagnetische Spulen als Relais sowie über Federkontakte zum Unterbrechen des Stromkreises. Sie werden bevorzugt in Anwendungen eingesetzt, bei denen extrem hohe Ströme gesteuert werden müssen. Schütze verfügen in der Regel auch über eine integrierte Detektion, ob Kontakte verschweißen. Damit wird verhindert, dass sich die Hauptkontakte nicht mehr öffnen lassen. Dies wird in der Regel mit einer Reihe von Hilfskontakten realisiert, die die Hauptkontaktstruktur spiegeln.

Aufgrund ihres Hilfskontaktmechanismus, ihrer höheren Spulenleistung und ihrer Federkraft bauen Schütze in der Regel größer als Elementarrelais und weisen eine geringere maximale Schaltfrequenz auf. Die Verbindung erfolgt in der Regel über Schraubklemmen, die manuell montiert werden müssen.

In der heutigen elektrifizierten Welt zählen zu den neuen Gleichstrom-Schaltanwendungen (DC) große Wechselrichter für Photovoltaik-Generatoren und Batterie-Energiespeicher in der Energieversorgung, Hochgeschwindigkeits-EV-Ladegeräte und Wallboxen sowie unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV).

Diese neuen Applikationen stellen die alte Ordnung auf den Kopf und erfordern die hohe Strombelastbarkeit und Sicherheitsmerkmale von Schützen, aber eine geringere Größe und einen geringeren Stromverbrauch in Geräten, die mit Massenfertigungstechniken kompatibel sind. Ähnliche Anforderungen gelten für Wechselstromlasten (AC) wie Beleuchtung, Heizen-Lüften-Kühlen und Fabrikautomation, wo die Leistungsdichte zunimmt und der Bedarf an kleineren und kompakteren Geräten steigt.

Wenn Relais höhere Lasten schalten

Neue Entwicklungen im Relais-Bereich ermöglichen Nennströme im Bereich von 50 bis 300 A. Damit stellen diese Komponenten in vielen Anwendungen im privaten, industriellen und Netzbereich eine Alternative zu Schützen dar. Aktuelle Bauteile detektieren zudem Kontaktverschweißungen mit Fehlermeldung, wodurch ein vergleichbarer Systemschutz ermöglicht wird. Der in Bild 1 dargestellte Hilfskontaktmechanismus gewährleistet eine sichere Isolation mit einer Spannungsfestigkeit von 2,5 kV oder einem Mindestkontaktabstand von 0,5 mm, selbst nachdem die Spule abgeschaltet wurde, wenn die Hauptkontakten verschweißen.

Zu den inhärenten Vorteilen von Relais gehören kleinere Bauteilabmessungen, die kompaktere und flachere Gehäuse ermöglichen. Dies ist gleichermaßen wichtig für Consumer-Anwendungen als auch für Industrie- und Energieversorgungs-Anwendungen, die vor der Herausforderung stehen, mehr und intelligentere Infrastruktur bei steigenden Platzbeschränkungen zu installieren. Ein Vergleich der Eigenschaften eines typischen Schützes mit denen eines vergleichbaren Relais zeigt eine Gewichtsersparnis von mehr als 66 % sowie eine um mehr als 60 % geringere Höhe und ein um 85 % geringeres Volumen.

Die geringere Baugröße und das in der Regel niedrigere Gewicht von Elementarrelais erlauben die Montage von Hochleistungsschaltern auf der Leiterplatte, was die Geräte-Montage vereinfacht und effizienter macht.

Leiterplattenbaugruppen sind kompatibel mit automatisierten Produktionsprozessen, sodass Schaltungen in Hochgeschwindigkeit mit Inline-Bestückungsanlagen montiert werden können. Durch anschließendes automatisiertes Löten können Gerätehersteller auf herkömmliche sperrige und teure Komponenten wie Sammelschienen und Schraubklemmen verzichten, die manuell befestigt werden müssen. Neben einer schnelleren und effizienteren Montage vermeiden Lötverbindungen menschliche Fehler wie unvollständiges Anziehen von Schrauben oder falsches Drehmoment, was zu einer gleichmäßigeren Produktionsqualität führt.

Umstellung auf Hochstrom-Leiterplattenrelais

Die Umstellung etablierter Designpraktiken und Produktionsabläufe von traditionellen, manuell montierten Schützen auf Relaisbaugruppen für die Leiterplattenmontage erfordert buchstäblich eine Rückkehr zum zeichnerischen Entwurf, um ein neues Leiterplattenlayout zu erstellen. Zu den Richtlinien für das Leiterplattendesign gehört die Sicherstellung einer ausreichenden Kupferdicke, um die vorgesehenen Stromstärken zu übertragen. Eine Vergrößerung der Anschlussfläche trägt zur Verbesserung der Wärmeableitung bei.

In Anwendungen, die extrem hohe Stromstärken erfordern, hilft ein Kühlkörper oder ein isoliertes Metallsubstrat, die Leiterplatte zu schützen. Darüber hinaus kann bei Hochleistungs-Leiterplattenrelais die Implementierung einer Haltespannungsschaltung oder einer PWM-Ansteuerschaltung zur Minimierung des Stromverbrauchs das Wärmemanagement effektiv vereinfachen und die Ansteuerleistung potenziell um 25 % reduzieren.

Gerätehersteller können die Investitionen in das Redesign ihrer Leiterplatten durch eine höhere Absatzfähigkeit wieder ausgleichen, indem sie kleinere, leichtere Leiterplattenbaugruppen anbieten, die den Marktanforderungen entsprechen.

Der Produktionsbereich muss möglicherweise ebenfalls umstrukturiert werden, um Handarbeitsplätze zu reduzieren oder ganz auf sie zu verzichten und die Produktion auf automatisierte Maschinen für die Durchsteckmontage umzustellen. Ein Vergleich der Fertigungstechniken zeigt, dass gelötete Anschlüsse die Stückliste (BOM) einschließlich Sammelschienen und Schrauben bis zu 35 % reduzieren und die Kosten für den Montageprozess bis zu 50 % senken können. Die Vorteile der automatisierten Montage werden umso bedeutender, je größer die Produktionsmengen sind.

Darüber hinaus kann die Umstellung auf Leiterplattenrelais die Produktleistung steigern und die Energieeffizienz verbessern. Ihr niedrigerer Kontaktwiderstand führt zu reduzierten I2R-Verlusten und einer geringeren Verlustwäre, was die Kontaktzuverlässigkeit erhöht. Die geringere Spulenleistung trägt überdies ebenfalls zu einer höheren Effizienz bei.

Zu den Hochstrom-PCB-Relais gehört das einpolige G9KA-1A1B-E, das Ströme bis zu 300 A schalten kann und einen Kontaktwiderstand von weniger als 0,2 mΩ aufweist. Die Konstruktion und die ausgewählten Materialien tragen zum geringen Widerstand bei und ermöglichen zudem einen Kontaktabstand von 4,0 mm, wodurch eine hohe Leistung bei gleichzeitiger Sicherheit gewährleistet ist. Integrierte 30-V/1-A-Spiegelkontakte erlaubt eine Detektion von Kontaktverschweißen gemäß IEC 60947-4-1, der internationalen Norm für elektromechanische Schütze und Starter einschließlich Motorschutzschaltgeräten.

Insgesamt erfordert die Umstellung auf eine Leiterplattenmontage zwar Anfangsinvestitionen, doch profitieren die Anbieter langfristig erheblich von Einsparungen bei den Kosten sowie von einer höheren Effizienz und Zuverlässigkeit.

Kompaktere und kostengünstige Leistungssteuerung

Schütze gelten seit jeher als die „Könige“ der Hochstromschaltung und decken einen breiten Nennstrombereich bis zu mehreren hundert Ampere ab. Zu ihren Stärken zählen Hilfskontakte zur Fehlererkennung. Nachteilig sind die große und schwere Spule sowie ein entsprechender Schließmechanismus, was zu einem hohen Platzbedarf führt und die Schaltfrequenz einschränkt. Manuelle Montageverfahren verlangsamen die Produktion und lassen Raum für menschliche Fehler.

Neue Anforderungen treiben Entwicklungen bei Leiterplattenrelais voran. Damit eröffnen sie eine neue Option bei Nennströmen von 50 bis 300 A, die eine kompaktere, zuverlässigere, effizientere und kostengünstigere Leistungssteuerung ermöglicht. (kr)

* Takato Nabeshima ist Produktmarketing Manager Relais bei Omron Electronic Components Europe in Hoofddorp / Niederlande.

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