Magnetismus in der Praxis – Relais-Basiswissen, Teil 4

| Autor / Redakteur: Olaf Lorenz * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Im vierten Teil unserer Serie zu den technischen Grundlagen von Relais betrachten wir die Temperatureinflüsse, denen ein Relais ausgesetzt ist und diskutieren mögliche Grenzwerte.

Die Leistungsdichte in elektrischen und elektronischen Schaltungen wird immer größer. Dadurch steigen die thermischen Anforderungen an alle Bauteile. Elektromechanische Relais tragen durch die Verlustleistung von Spule und Kontaktsystem zur Erwärmung der Systeme bei. Bei der Auslegung von elektrischen Schaltungen ist es wichtig, die Einflüsse und Grenzwerte von Relais zu kennen.

Grenztemperaturen bei den Werkstoffen

Die temperaturkritischsten Werkstoffe in Relais sind der Spulendrahtlack, die Kunststoffe von Kappe, Sockel und Spulenkörper sowie gegebenenfalls Klebstoffe und Vergussmaterialien. Eine thermische Überlastung des Spulendrahtlacks führt zu Wicklungskurzschlüssen und letztendlich zu einer Zerstörung der Spule.

Spulendrähte werden in verschiedenen Temperaturklassen angeboten. Die niedrigste Klasse 155 (nach IEC 172) ermöglicht bei einer durchschnittlichen Spulentemperatur von 155°C eine Betriebsdauer von mindestens 20000 Stunden. Die Grenztemperaturen der eingesetzten Kunststoffe (PA, PBT, LCP etc.), Klebstoffe und Vergussmaterialien (meist PU-basiert) sind üblicherweise höher als 155°C, sodass die Spule im Normalfall die thermisch kritischste Einzelkomponente des Relais ist.

Grenztemperaturen im Bereich der Schnittstellen

Des Weiteren ist die thermische Belastung der Verbindungen vom Relais zum System zu beachten. Dies sind entweder Löt-, Steck-, Schraub- oder auch Schweißverbindungen. Die Grenztemperaturen von Lötverbindungen hängen vom verwendeten Lötzinn und dem Material der Leiterplatte ab. Eine FR4-Leiterplatte hat eine typische Grenztemperatur von 130°C. Bei Steckverbindungen hängt die Grenztemperatur von der Qualität und insbesondere der Oberfläche der Stecksysteme ab. Verzinnte Oberflächen können dauerhaft mit Temperaturen bis 130°C betrieben werden.

Bei versilberten Oberflächen beträgt die Grenztemperatur 150°C. Kurzzeitig können, abhängig vom Stecksystem, höhere Temperaturen möglich sein. Der Schmelzpunkt von Reinzinn ist erst bei 232°C erreicht. Schweißverbindungen sind unkritisch, bei Schraubverbindungen muss auf ausreichende Vorspannung geachtet werden, damit sich die Verbindung beim Temperaturwechsel nicht löst. Grenztemperaturen werden hier vor allem aus dem Grund spezifiziert, um das Relais vor Überhitzung zu schützen. Für Schraubverbindungen werden oft Werte zwischen 140 und 150°C angegeben.

Am Relais auftretende Verlustleistungen

Den größten Teil der Wärmeabführung übernehmen die Lastpfade der elektrischen Schaltung. Bei Leiterplatten haben der Querschnitt der Leiterbahn (also Kupferdicke und -breite), aber auch die Oberfläche einen großen Einfluss auf die Wärmeabführung. Bei Kabeln und Stromschienen ist es im Wesentlichen der Leitungsquerschnitt.

Die Konvektion vom Relaisgehäuse zur Luft hat nur einen geringen Anteil an der Wärmeabführung. Beim Einsatz von Kühlsystemen ist eine Kühlung der Lastpfade effektiver als eine Luftkühlung des Relais selbst. Die Testparameter für die Angaben von Grenzdauerströmen und maximalen Spulenspannungen in den Datenblättern sind oft nicht spezifiziert. Daher sind diese Werte von verschiedenen Herstellern und Relaistypen nur sehr bedingt vergleichbar.

Bei sogenannten Hochstromrelais (>100 A) werden die Grenzdauerströme teilweise in Abhängigkeit der Leitungsquerschnitte angegeben. Ansonsten werden für die spezifizierten Lastströme üblicherweise Leitungsquerschnitte von mindestens 0,1 mm²/A sowie keine Beeinflussung durch andere Wärmequellen wie z.B. weitere Relais oder Halbleiter angenommen.

Die tatsächliche Umgebungstemperatur des Relais in einem Schaltungsgehäuse (Box) ist meistens höher als die spezifizierte Umgebungstemperatur außerhalb der Box. Bei Schaltungen mit mehreren Wärmequellen kann die Differenz zwischen der Innen- und Außentemperatur der Box schnell 20 K und mehr sein. Wenn Relais nah an ihren thermischen Grenzen betrieben werden sollen, ist eine Überprüfung der Relaistemperaturen mittels Messung oder Simulation im Gesamtsystem notwendig.

Wann tritt eine Überlastung des Relais auf?

Die Zeit bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts dauert je nach Relaisgröße von wenigen Minuten bis zu einer halben Stunde. Dies führt dazu, dass Relais für mehrere Sekunden deutlich überlastet werden können, ohne dass die Grenztemperaturen erreicht werden. Zudem kann unter Umständen auch ein Betrieb des Relais oberhalb der Grenztemperaturen möglich sein, da die Grenztemperaturen durch zeitabhängige Degradations- und Diffusionseffekte bestimmt sind.

So wird zum Beispiel eine Spule mit der Drahtklasse 155 bei einer Spulentemperatur von 200°C erst nach mehreren Stunden nachhaltig beschädigt. Jeder Einsatz unter Überlastbedingungen sollte in jedem Fall ausführlich mit dem Relaishersteller beraten werden.

* Olaf Lorenz arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Connectivity in Berlin.

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