Was bei der Diagnose von Relais zu beachten ist

Bild 1: Beispiel einer geeigneten Diagnoseschaltung für Kfz-Relais (Bild: TE)

In vielen Relaisanwendungen ist es notwendig, den Schaltzustand der Relaiskontakte zu diagnostizieren. Elektromechanische Relais unterscheiden sich in ihrem Schaltverhalten von Halbleitern, was vor allem hinsichtlich des Kontaktwiderstands und der Schaltzeiten von Diagnoseroutinen zu berücksichtigen ist, um keine fehlerhaften Informationen über den Schaltzustand zu bekommen.

Leistungsrelais wurden und werden für das Schalten und Führen von elektrischen Lasten entwickelt, wie z.B. Lampen, Motoren und Heizungen. Diese Lasten werden üblicherweise mit Spannungen von mind. 12 VDC oder 120 VAC betrieben und erfordern in der Regel Ströme von mindestens 1 A. Diagnoseroutinen hingegen arbeiten häufig mit Signalpegeln, d.h. Spannungen unterhalb von 12 V (z.B. 5-V-TTL-Pegel) und Strömen im Milliampere-Bereich.

Leistungsrelais verwenden überwiegend Kontakte aus Silberlegierungen und -mischungen. Silber reagiert mit der Atmosphäre und bildet Oxidschichten. Diese Schichten können unabhängig vom Laststrom zu einem Kontaktspannungsabfall bis zu 500 mV führen, was bei Lastspannungen von mind. 12 VDC meistens völlig unproblematisch ist.

Da diese Schichten auch zu nichtlinearen Kontaktwiderständen führen, ist es nicht zulässig, aus einer Widerstandsmessung mit kleinen Signalströmen (z.B. einem handelsüblichen Multimeter) auf den Kontaktwiderstand im eigentlichen Lastfall zu schließen. Eine optimale Diagnoseschaltung arbeitet daher mit den tatsächlichen Lastbedingungen und sicheren Spannungsschwellen (Bild 1).

Schaltzeiten

Die Schaltzeiten von elektromechanischen Relais sind abhängig von verschiedenen variablen Parametern. Die Ansprechzeit wird beeinflusst durch die Spulenspannung, die Spulentemperatur und die Alterung des Relais über die Lebensdauer. Vor allem in Kraftfahrzeugen können Spannungs- und Temperaturbereiche variieren. Das hat zur Folge, dass die Ansprechzeit des Relais unter Worst-Case-Bedingungen bis zum Fünffachen der typischen Ansprechzeit bei Nennspannung und Raumtemperatur betragen kann.

Die Rückfallzeit hängt im Wesentlichen von der Spulenbeschaltung und der Alterung des Relais ab. Eine Diode parallel zur Spule kann die Rückfallzeit bis um das Vierfache verlängern. Diagnoseroutinen unterliegen im Allgemeinen zeitlichen Restriktionen und haben statische Programmabläufe, d.h. die Abfragezeiten sind unabhängig von Spannungen und Temperaturen. Berücksichtigt die Diagnosesoftware nicht die maximal möglichen Schaltzeiten, kann es zu fehlerhaften Auswertungen des Schaltzustandes kommen.

Häufig werden Relaisspulen kurzzeitig bestromt oder die Erregung wird kurzzeitig unterbrochen, um die Kontinuität der Spule zu überwachen (so genannte Watchdog-Routinen). Hierbei ist zu beachten, dass der Diagnoseimpuls nicht zu einer Änderung des Kontaktzustandes führt. Aufgrund der großen Spannungs- und Temperaturbereiche und der Alterung des Relais über die Lebensdauer sind hier die minimal möglichen Schaltzeiten des Relais zu beachten, die erheblich von den typischen Schaltzeiten abweichen können.

Empfehlung

Allein aus den Angaben in den Datenblättern und Relaisspezifikationen sind die für eine Diagnoseroutine relevanten Parameter häufig nicht erkennbar, da die Zusatzanforderung „Diagnose“ von den Systementwicklern für elektromechanische Komponenten normalerweise nicht betrachtet wird. Diese Anforderungen sollten daher mit den Experten des Relaislieferanten erörtert werden und eventuell zum Inhalt von Komponentenspezifikationen gemacht werden. //