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Dieser Trend der Vereinheitlichung setzt sich schleichend fort. Heute macht es beispielsweise kaum noch Sinn aus Platzgründen darüber nachzudenken, ob ein Relais nur eine Basisisolierung braucht oder ob gleich eine verstärkte Isolierung mit doppelter Bemessungsspannung gewählt wird. Eine Verringerung der Variantenvielfalt erhöht das erzielbare Marktpotential, was zu einem neuen Kostenoptimum bei höher taktenden Produktionslinien führt.

Aktuelle und zukünftige Herausforderungen

Um im Wettbewerb mit Halbleitern wie Thyristor, IGBT, Triac oder MOSFET attraktiv zu bleiben, mussten nicht nur stetig Herstellkosten gesenkt werden, sondern auch kleinere Relais hergestellt werden. Aber auch die immer höhere Dichte von Bauelementen ließ weniger Platz für die im Inneren unveränderten elektromechanischen Relais. Der Trend zur Miniaturisierung wird in Bild 3 anhand von Relais für eine Last von ca. 6 A/230 V deutlich. Folgende Probleme müssen zukünftig bei der Miniaturisierung gelöst werden:

Bildergalerie

• Wärmeerzeugung durch Spule und Kontakt(e) muss sinken,

• Schaltlastfähigkeit muss konstant bleiben trotz kleinerer Kontakte und geringerer Kräfte,

• Isolationsvermögen muss konstant bleiben trotz höherer Abbrandverschmutzung je Flächeneinheit,

• Maßänderungen durch den Einfluss von Temperatur, Alterung oder äußeren Kräften und Umwelteinflüssen müssen absolut geringer gehalten werden und

• Produktionstechnologie und Messgenauigkeiten müssen proportional zur Miniaturisierung voranschreiten.

Neben umfangreichen Forschungen auf dem Gebiet der Kontaktphysik hat vor allem die Anwendung von CAE-Werkzeugen geholfen, Toleranzen einzuengen und die elektrisch-magnetisch-mechanischen Umwandlungen zu simulieren. Doch wird das reichen, um auch in Zukunft eine umfassende Miniaturisierung der elektromechanisches Relais voranzutreiben? Lässt sich ein Miniaturisierungseffekt wie ihn die Kunststoffe auslösten beispielsweise durch höher isolierende Werkstoffe wie frei formbare Keramik wiederholen? Oder muss gar das ganze Prinzip des elektromagnetischen Relais für weitere Miniaturisierungsschritte in Frage gestellt werden?

Das Antriebssystem eines elektromechanisches Relais nimmt immer noch ca. 2/3 des Volumens eines einpoligen Relais ein. Der nächste Miniaturisierungsschritt wird vielleicht nicht mehr mit einem Magnetspulensystem möglich sein. Intelligente Werkstoffe wie Formgedächtnislegierungen oder elek­troaktive Polymere mögen Nachteile haben, bieten aber auch neue Gestaltungsmöglichkeiten bis hin zur Integration sensorischer Funktionen.

Um der Vielfalt unterschiedlicher Anwendungen besser zu entsprechen, wurde das Relaisprinzip sowohl funktional als auch geometrisch an spezifische Anforderungen angepasst. Funktionale Anpassung ist die Fähigkeit des Relais Lasten schalten oder Ausfall frei auch unter extremen Umgebungsbedingungen eingesetzt zu werden. So sorgen Blasmagnete und Gasfüllungen für die Löschung von Lichtbögen, die bei hohen DC-Spannungen entstehen. Vorlaufkontakte verhindern das Verschweißen bei hohen Einschaltströmen und verlötete Metallgehäuse lassen Relais selbst bei extremen Druckunterschieden wie im Flugzeug zuverlässig funktionieren.

Geometrische Anpassungen beschränkten sich zumeist auf die Gestaltung und Lage der Löt-, Schraub- oder Steckanschlüsse. In Zukunft könnten darüber hinaus die Außenformen und die Anschlüsse des Relais auf die Anwendung zugeschnitten werden.

So kann beispielsweise ein Relais für eine schaltbare Steckdose durchaus Kontaktanschlüsse haben, die gleichzeitig Buchse sind und das Relaisgehäuse kann Träger der Leiterplatte mit Verbindung zum Steckdosensockel sein. Dabei wird das Volumen, das für Relaiskontakte und Antriebssystem zur Verfügung steht, nicht kleiner, sondern der Bauraum der Anwendung wird nur besser genutzt, was in Summe eine Miniaturisierung ermöglicht. Diese Art der Anpassung geht fließend in einen weiteren Trend, die Integration, über, die bislang jedoch kaum ausgeprägt ist.

Reale Beispiele für geometrisch optimierte Relais sind selten, was meist mit dem Verhältnis von Kosten zu Stückzahlen zusammenhängt. Doch der Trend zu einzeln schaltbaren Aktoren kann in Zukunft dazu führen, dass das Relais räumlich die zentrale Steuerung verlässt und sich mit der Steckdose, dem Waschmaschinenventil oder dem Rollladenmotor verbindet.

Im Umfeld einer Schaltfunktion zeigen sich häufig wiederkehrende funktionelle Abhängigkeiten, deren heutige Realisierung als separate Komponente hinterfragt werden kann. Integration von Funktionen führt nicht nur zu Platzeinsparung, sondern kann ganz neue technische oder kommerzielle Optionen hervorbringen. Folgende Funktionen bieten sich im Umfeld des Relais für eine Integration an:

• Schutzfunktion, z.B. Überstromsicherung, Überspannungsschutz, Nullpunktschaltung,

• Analysefunktion, z.B. Ausfallanalyse, Installationsfehler wie falsches Relais oder Kabelfehler,

• Wartung, z.B. Restlebensdaueranzeige, Selbst-Reparatur durch Redundanzumschaltung und I/O-Verarbeitung.

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