Elektromechanische Relais Leistung von Relaisspulen senken – welche Möglichkeiten es gibt

Autor / Redakteur: Carlos Duarte * / Kristin Rinortner

Die Leistung lässt sich bei Relais durch eine Erregerspule mit höherem Widerstand oder eine modifizierte Ansteuerung im Erregerkreis signifikant verringern.

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Leistungsreduktion: Nicht nur im Automobilbereich sondern auch in Industrie- und Consumer-Anwendungen stehen Überlegungungen zur Wärmereduktion im Fokus.
Leistungsreduktion: Nicht nur im Automobilbereich sondern auch in Industrie- und Consumer-Anwendungen stehen Überlegungungen zur Wärmereduktion im Fokus.
(Bild: TE Connectivity)

Die stetig wachsende Funktionalität und der Anstieg von Komfortanwendungen im Automobilbereich bedingen eine höhere Komplexität der Fahrzeugarchitektur. Die entsprechenden Steuermodule müssen unter limitiertem Bauraum einen höheren Umfang an Funktionen bewerkstelligen. Die Konsequenz daraus ist die Optimierung des Leiterplattendesigns, was unter anderem eine Erhöhung der Komponentendichte zur Folge hat.

Ein sensibler Umgang mit dem Wärmehaushalt ist unumgänglich und zwingt in den meisten Fällen die Entwickler dazu, den Leistungsverbrauch der einzelnen Komponenten zu überdenken und wenn möglich zu senken.

Dieser Ansatz bietet weitere Vorteile im Kraftstoffverbrauch und dient ebenfalls dazu, den immer strengeren Klimaschutzauflagen der EU zum CO2-Ausstoß gerecht zu werden. Diese hier am Beispiel der Automobilelektronik beschriebene Aufgabenstellung gilt generell genauso für die Elektronik von Industriesteuerungen und Consumer-Geräten.

Auch im Weiße-Ware-Segment, das heißt bei Haushaltsgeräten, sowie im Installations- als auch im Industriebereich stehen Überlegungen zur Wärmereduktion, bzw. Energieersparnis meist aus Umweltaspekten und Kostengründen immer stärker im Fokus.

Eine signifikante Leistungsminderung lässt sich bei Relais hauptsächlich im Erregerkreis durch den Einsatz einer Erregerspule mit höherem Widerstand oder eine modifizierte Ansteuerung mittels PWM (Puls-Weiten-Modulation), Konstantstrom, ein Zwei-Spulen-System mit Einrück- und Haltespule bzw. bistabilen Relais erreichen.

Leistungreduktionsmaßnahmen wie oben beschrieben, dienen auch zur Leistungsverbesserung. Die maximal zulässige Dauerstrombelastbarkeit steigt bei gleicher Umgebungstemperatur bzw. entspricht einer höheren Umgebungstemperatur bei sonst unveränderten Erreger- und Lastparametern.

Erregerspule mit höherem Widerstand

Diese Form der Leistungsreduktion lässt sich leicht umsetzen, bedingt aber bei vorgegebenem Spulenvolumen eine geringere magnetische Durchflutung des Eisenkreises. Eine Schwächung der Federsatzkurve, bei sonst unveränderten Ansprech- und Rückfalleigenschaften des Relais, ist die Folge. Verringerte Nennströme oder eine reduzierte elektrische Lebensdauer sind dementsprechend möglich. Des Weiteren kann der größere Materialeinsatz zu einer Produktpreiserhöhung führen.

Modifizierte Ansteuerungen eines Relais

PWM: Viele Mikrocontroller enthalten zusätzlich zu deren Hauptkomponenten integrierte PWM-Module oder unterstützen durch geeignete Timer-Funktionen deren Implementierung. Bei konstanter Frequenz findet die Modulation des Tastgrades eines Rechteck-Spannungsimpulses statt. Zur Aktivierung des Relais muss jedoch zu Beginn ein Initialimpuls gesetzt werden, dessen Impulsdauer einem Vielfachen der Ansprechzeit entspricht.

Bild 1: Strom- und Spannungsverläufe bei PWM-Ansteuerung
Bild 1: Strom- und Spannungsverläufe bei PWM-Ansteuerung
(Bild: TE Connectivity)
Die sich anschließende Modulation richtet sich nach dem notwendigen Haltestrom des Magnetsystems unter Berücksichtigung der maximalen Bauteiletemperatur. Dieser Haltestrom ist mit Oberwellen (Ripple) beaufschlagt, deren Ausprägung durch die in der Regel hohe Spuleninduktivität und Frequenz aber gering ausfällt. Übliche Ansteuerfrequenzen liegen außerhalb des menschlichen Hörbereiches bei >20 kHz und ermöglichen dadurch einen stabilen Schaltzustand des Relais ohne Kontaktbeben. Bild 1 zeigt den Grundverlauf von Strom und Spannung an der Erregerspule.

Spannungsabsenkung: Ähnlich wie bei der PWM initiiert man bei der Spannungsabsenkung den Aktivzustand mit einem Eingangsimpuls. Die sich anschließende Leistungsabsenkung erfolgt in diesem Fall nicht über die nachgeschaltete Ein- und Austaktung sondern diskret über die Spannungsminderung an der Erregerspule nach dem sicheren Schließen der Relaiskontakte. Diese Art der Ansteuerung lässt sich z.B. durch vorgeschaltete Widerstandskaskaden leicht und kostengünstig umsetzen. Die gewählte Haltespannung sollte im gesamten Temperaturbereich einen sicheren Schaltzustand sicherstellen.

Spulenansteuerung durch einen Konstantstrom: Diese Art der Ansteuerung ist sicherlich die eleganteste Lösung im Bereich der Leistungsreduktion. Die magnetische Durchflutung des Eisenkreises bleibt, ähnlich wie bei der PWM, konstant und unbeeinflusst von Schwankungen der Bauteiletemperatur. Der Aktivzustand wird über einen höheren Erregererstrom eingeleitet, bevor eine Absenkung stattfindet. Der sich einstellende Haltestrom sollte auch in diesem Fall einen sicheren Aktivzustand über den gesamten Temperaturbereich gewährleisten.

Zwei-Spulen-Systeme mit Einrück- und Haltewicklung: Diese Methode der Leistungsreduktion findet hohen Zuspruch im Hybrid- und Elektrofahrzeugbereich. Die entsprechenden Schütze haben nicht selten durch die hohen Kontaktkräfte zur Abdeckung der Schaltfunktionen Einschalt-Erregerströme im Bereich mehrerer Ampère.

Bild 2: Schaltbild Zweispulensystem
Bild 2: Schaltbild Zweispulensystem
(Bild: TE Connectivity)
Die grundsätzliche Verdrahtung sieht zur notwendigen Energiezufuhr eine Parallelschaltung von zwei Erregerspulen vor. Nach dem sicheren Einschalten trennt ein Halbleiterelement eine Spule vom Erregerkreis ab und die übrigbleibende hochohmige Haltespule versorgt den Magnetkreis mit der entsprechenden Halteenergie (Bild 2). Schütze mit integrierter Elektronik sind erhältlich und erleichtern die Ansteuerung für den Anwender signifikant.

Aus Kosten-und Bauraumgründen ist diese Methode der Leistungsreduktion bei Steck- und Leiterplattenrelais nicht anwendbar.

Bistabile Relais: Der bei bistabilen Relais im Eisenkreis verbaute Permanentmagnet ermöglicht zwei stabile Schaltzustände, ohne dass der Spulenkreis ständig bestromt werden muss.

Bild 3: Power Relay F7 A Latching – bistabiles Ein-Spulen-Relais
Bild 3: Power Relay F7 A Latching – bistabiles Ein-Spulen-Relais
(Bild: TE Connectivity)
Die Umschaltung (setzen/rücksetzen) erfolgt mittels eines Spannungsimpulses an der Erregerspule. Impulslängen im Millisekundenbereich sind für die Umschaltung ausreichend.

Üblich sind Ein- und Zweispulensysteme, wahlweise mit «low» oder «high-side» Ansteuerung. Bild 3 stellt das jüngste bistabile Ein-Spulen-Relais im Automobilrelais-Portfolio dar.

Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden

Tabelle 1 stellt die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden zur Leistungsreduktion gegenüber. Es gilt grundsätzlich die konkreten Einsatzfälle zum Einen unter Kostengesichtspunkten und zum Anderen unter technischen Aspekten (Grad der gewünschten Leistungsreduktion, Erfüllung der Anforderungsprofile, technische Nachteile) zu bewerten, bevor die Entscheidung für eine adäquate Lösung fällt.

Sicherlich gibt es zu einigen Problemstellungen weitaus einfachere Möglichkeiten. Oftmals sind aber limitierte Einbaubedingungen und Kostenaspekte Auslöser für komplexere Lösungsansätze, in denen die Leistungsreduktion in den meisten Fällen zielführend ist.

* Carlos Duarte arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Relay Products in Berlin.

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