Kfz-Relais Klein, robust und leistungsfähig – Signalrelais in Automobilanwendungen

Autor / Redakteur: Dr. Werner Johler* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Elektromechanische Relais sind in Automobilanwendungen weit verbreitet und als sehr zuverlässige und robuste Komponenten bekannt. Sie werden in großen Mengen für vielfältige Schaltaufgaben im Kraftfahrzeug eingesetzt. Allgemein bekannt sind vor allem die klassischen Kfz-Relais zum Schalten von hohen Strömen. Durch den stark wachsenden Einsatz der Sicherheits- und Komfortelektronik in die Automobiltechnik ergeben sich immer mehr Anwendungen für Signalrelais im Kfz. Signalrelais bieten neben den bereits bekannten Eigenschaften wie Zuverlässigkeit und Robustheit eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber alternativen Schaltlösungen.

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Moderne Signalrelais beanspruchen aufgrund ihrer kompakten Baugröße von gerade einmal 10 mm x 6 mm x 5,75 mm lediglich 60 mm2 Platz auf der Leiterplatte. Dabei bringen Signalrelais weniger als 1 g auf die Waage.

Etliche Kontaktkonfigurationen für automobile Anwendungen

Typischerweise werden Signalrelais als 2-polige Umschalter angeboten. Da in vielen Anwendungen, besonders in der Kfz-Elektronik lediglich ein Umschalter oder nur die Arbeitskontakte benötigt werden, wird das IM-Relais in allen möglichen Konfigurationen angeboten und zwar mit folgenden Kontaktkonfigurationen:

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  • 2-polige Umschaltkontakte (IM),
  • 2-polige Arbeitskontakte (IM-E),
  • 2-polige Ruhekontakte (IM-D),
  • 1-polige Umschaltkontakte (IM-C),
  • 1-polige Arbeitskontakte (IM-B),
  • 1-polige Ruhekontakte (IM-A).

Mit den unterschiedlichen Kontaktkonfigurationen ist es möglich die Schalt- oder Isolationseigenschaften weiter zu optimieren.

Bistabile und monostabile Varianten mit unterschiedlichen Ansteuerleistungen

Moderne Konstruktionen sind sowohl als bistabile als auch monostabile Varianten erhältlich. Monostabile Varianten benötigen eine Steuerleistung von min. 50 mW, typischerweise von 140 mW.

Ist eine kleine Ansteuerleistung von Bedeutung, dann ist der Einsatz von bistabilen Relais von Vorteil, da bistabile Relais nur während des eigentlichen Schaltvorganges einen kurzen Stromimpuls benötigen und dann ihre Schaltposition beibehalten. Damit ist der Energieverbrauch des Relais praktisch null.

Von großem Vorteil sind bistabile Relais auch bei hohen Umgebungstemperaturen von höher als 85°C. Aufgrund der im Automobil stark schwankenden Spannung die zwischen 8 und 16 V betragen kann, ist sowohl das sichere Schalten als auch die Eigenerwärmung der Spule mit bistabilen Relais deutlich besser in den Griff zu bekommen.

Galvanische Trennung zwischen Last- und Steuerkreis sowie im Lastkreis

Elektromechanische Relais verfügen über eine galvanische Trennung sowohl zwischen Last- und Steuerkreis, als auch im Lastkreis. Dadurch ist sichergestellt, dass es weder zwischen dem Last und Steuerkreis, als auch innerhalb des Lastkreises zu unerwünschten Leckströmen oder Entladeströmen kommen kann. Effekte wie das Durchlegieren – wie von Halbleitern bekannt – können bei elektromechanischen Relais nicht auftreten. Bei typischen Signalrelais liegen die Isolationswiderstände im Bereich von mehr als 1012 Ω.

Gute Isolationseigenschaften erlauben den Einsatz in Hybridfahrzeugen

Signalrelais werden typischerweise zum Schalten von eher kleinen Lasten eingesetzt. Neben der galvanischen Trennung weisen Signalrelais ausgezeichnete Isolationseigenschaften auf, die auch einen Einsatz in Hybridfahrzeugen möglich macht. So weist z.B. das IM-B-Relais eine dielektrische Festigkeit von mehr als 2500 Vrms zwischen geöffneten Kontakten und eine von mehr als 4000 Vrms zwischen Spule und Kontakten auf.

Moderne Signalrelais schalten bis zu 5 A

Signalrelais sind für einen sehr stabilen Kontaktwiderstand für eine sehr lange Dauer bekannt. Sie können sehr kleine Signale führen und schalten. Die minimal mögliche Spannung liegt im Bereich von ca. >50 µV, der kleinstmögliche Strom liegt bei wenigen nA.

Weniger bekannt ist, dass die neuen Konstruktionen Ströme bis zu 5 A schalten können. Dabei sind bis zu 100.000 Schaltungen möglich. Wenn es sich um eine Applikation handelt bei der das Relais nur die galvanische Trennung ohne Schalten unter Last realisieren muss, können Signalrelais Ströme bis zu 10 A führen.

Hochtemperaturfeste Materialien erlauben Temperaturen bis 200 °C

Signalrelais sind für Löttemperaturen bis zu 260 °C ausgelegt. Dies wird durch die Auswahl von hochtemperaturfesten Materialien ermöglicht. Diese Materialien erlauben dann Dauergebrauchstemperaturen von bis zu 200 °C. Realistischer sind Umgebungstemperaturen von bis zu 125°C, was den Einsatz von Signalrelais im Motorraum ermöglicht. Wie bereits erwähnt, muss bei hohen Umgebungstemperaturen und stark schwankenden Versorgungsspannungen besonderes Augenmerk auf die Ansteuerung der Relais gelegt werden.

Hermetisch dichte Kapselung schützt vor Umwelteinflüssen

Signalrelais sind zumindest waschdicht ausgeführt. Moderne Konstruktionen wie das IM-Relais sind hermetisch dicht (nach IEC61810-7) ausgeführt. Damit ist es vor allen möglichen Umwelteinflüssen wie Staub, korrosive Gase o.ä. optimal geschützt.

Die Geräuschentwicklung beim Schalten des Relais darf nicht wahrnehmbar sein

Das Schaltgeräusch von elektromechanischen Relais wird gelegentlich als störend empfunden. Automobile im oberen Segment weisen typischerweise einen Innenraum-Geräuschpegel von weniger als 40 dB auf. Werden Relais im Innenraum eingesetzt, so darf das Schaltgeräusch nicht mehr zu hören sein. Signalrelais mit ihren sehr kleinen Bauformen und kleinen bewegten Massen, schalten beinahe geräuschlos, d.h. ein P2-Relais weist einen Geräuschpegel von 39 dB und das IM-Relais von nur noch 27 dB auf. Ein Geräuschpegel von unter 30 dB wird in der Regel gar nicht mehr wahrgenommen.

Spezielle Hf-Relais eignen sich auch für Frequenzen jenseits von 500 MHz

Signalrelais weisen sehr gute Hochfrequenzeigenschaften auf, die die Übertragung und Isolation von Hochfrequenzsignalen optimal erlauben. Normale Signalrelais eignen sich, wie in untenstehender Abbildung gezeigt und abhängig von der Applikation, bis zu Frequenzen von rund 500 MHz. Darüber empfiehlt sich der Einsatz von spezifischen Hochfrequenzrelais. Ein weiterer Vorteil der Signalrelais ist das beinahe perfekte und lineare Übertragungsverhalten. Damit können z.B. Audiosignale absolut verzerrungsfrei übertragen werden.

Signalrelais eignen sich für alle gängigen Lötverfahren

Das IM-Relais beispielsweise wird sowohl als Durchsteck- als auch als SMT-Variante angeboten. Beide Varianten sind sowohl für das Wellenlöten als auch für Reflow-Lötprozesse mit Temperaturen bis zu 260 °C geeignet. „Pin-in-paste“-Lötverfahren sind ebenfalls problemlos möglich. Dies gilt auch für die bedrahtete Version.

Signalrelais arbeiten sogar bei extremen Umgebungsbedingungen sehr zuverlässig

Ein ausgereiftes Design, eine sorgfältige Auswahl der eingesetzten Materialien, eine überwachte Herstellung im Reinraum, sowie ein ausgeklügeltes Verfahren zur Qualitätssicherung, machen Signalrelais und im speziellen das IM-Relais zu einem sehr zuverlässigen und im Einsatz sehr robusten, Bauelement. Selbst dann wenn es in rauer Umgebung bei hohen Temperaturen bzw. starker Schock- oder Vibrationsbelastung eingesetzt wird.

Die Eigenschaften von Signalrelais ermöglichen einen breiten Einsatz im Auto

Beispiele für Anwendungen von Signalrelais in Kraftfahrzeugen:

  • Grundsätzlich alle Signalanwendungen im Kraftfahrzeug,
  • Diagnose Systeme wie z.B. CAN Bus,
  • Infotainment Systeme z.B. für das Schalten von Audio- und Videosignalen,
  • Sicherheitsrelevante Anwendungen wie Keyless Entry Systeme, Freisprecheinrichtungen für das sichere Telefonieren in Kraftfahrzeugen,
  • Steuerungsaufgaben wie Klappen- und Spiegelsteuerungen ,
  • Motorsteuergeräte,
  • Hybrid- und APV Automobile z.B. Batteriesenserelais.

*Dr. Werner Johler ist Director Global Business Development in der Tyco Electronics Relay Products Group

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