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Relais Permanent erregt – Energie sparen mit polarisierten Relais

Polarisierte Relais mit integriertem Permanentmagneten verbrauchen deutlich weniger Strom als herkömmliche Varianten. Viele weitere Vorteile ermöglichen es zudem, Anwendungen kleiner und effizienter zu gestalten.

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(Bild: Panasonic )

Ein schonender Umgang mit Ressourcen und damit unserer Umwelt sind das Gebot der Zeit, das für alle Industriebranchen und -bereiche gilt. Entsprechend hoch im Kurs steht daher die energieeffiziente Evolution milliardenfach verbauter Komponenten – wie zum Beispiel elektromechanischer Relais.

Bereits in den 1960er Jahren, lange bevor Themen wie Umweltverträglichkeit oder Energieeinsparung in Lastenheften auftauchten, setze sich Panasonic – seinerzeit noch unter der Marke Matsushita Electric Works – das Ziel, an der Effizienz der angebotenen Komponenten zu arbeiten.

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Ein Meilenstein im Rahmen dieser Anstrengungen war damals das polarisierte R-Relais, erfunden von Hans Sauer von der deutschen SDS Elektro GmbH (Sicher-durch-System). Dank eines integrierten Dauermagneten, dessen permanentes Magnetfeld das durch die Antriebsspule erzeugte Erregermagnetfeld überlagert, reicht ein deutlich geringerer Strom zum Schalten aus. Damit sinkt nicht nur die Ansprechleistung, auch die Ansprechempfindlichkeit steigt - und das Relais kann durch die kleinere Spule insgesamt deutlich kompakter gebaut werden.

Darüber hinaus sind bistabile Versionen möglich, deren Schaltzustand allein durch die Kraft des Dauermagneten gehalten wird – und damit im geschalteten Zustand keinerlei Energie mehr verbraucht.

Funktionsweise von bistabilen Relais

Durch den konstruktiven Aufbau mit einem Dauermagneten (Bild 1) benötigt das bistabile Relais nur einen kurzen Impuls zum Schalten. Dieser Impuls sollte mindestens 100ms lang sein und eine Amplitude in Höhe der Nennspannung aufweisen, um sicherzustellen, dass die Kontakte vollständig geschaltet haben und sich in Endlage befinden.

Durch die Magnetkraft des Dauermagneten verharrt das Relais in dieser Stellung ohne Energiezuführung von außen, bis entweder ein negativer Impuls auf die gleiche Spule das Relais wieder zurückschaltet (bistabil 1-spulig), oder ein Impuls gleicher Polarität auf die andere Spule erfolgt (bistabil 2-spulig). Bistabile Relais werden werkseitig in zurückgestelltem Zustand ausgeliefert. Eine Schockeinwirkung auf das Relais während des Versands oder bei der Installation kann jedoch den Ausliefungszustand ändern. Bistabile Relais müssen deshalb im praktischen Einsatz generell initialisiert, d.h. in einen definierten Schaltzustand gebracht werden. Dies erfolgt über einen Reset-Impuls beim Einschalten der Anwendung.

Energieeinsparung von bistabilen Relais

Die typische Verlustleistung von modernen, ungepolten monostabilen Leistungsrelais liegt zwischen 170 mW und 1,5 W. Gepolte bistabile Leistungsrelais liegen in einem ähnlichen Verlustleistungsbereich, bei vergleichbarer Schaltleistung aber deutlich niedriger als das ungepolte Pendant.

Nehmen wir als Rechenbeispiel in einer Applikation ein einfaches monostabiles Leistungsrelais mit Spulenverlustleistung von 500 mW. Schauen wir uns jetzt noch das Impulsdiagramm von Bild 3 an. Die Fläche unter der Erregerspannung an der Spule stellt im Prinzip nichts anderes als die Spulenverlustleistung dar.

Verwendet man als Alternative dagegen ein vergleichbares bistabiles Leistungsrelais in der gleichen Applikation, wird nur im Ein- und Ausschaltzeitpunkt Energie verbraucht. Je länger dabei die Einschaltzeit des Relais ist, desto mehr Energie wird dabei gespart. Global gedacht und mit Milliarden von täglich operierenden Relais multipliziert ergibt sich ein Einsparpotential im Megawatt-Bereich.

Hohe Kontaktkraft und günstiges Prellverhalten

Der Vorteil bistabiler Relais ist neben der Energieeinsparung die hohe Kontaktkraft, schnelleres Schalten und das günstige Prellverhalten über die gesamte Lebensdauer. Weniger Kontaktprellungen von richtig konzipierten gepolten Relais erhöhen die Lebensdauer, da dadurch Lichtbogen, Kontakterwärmung und Kontaktabbrand geringer sind. Zudem wird die Funkstörung bei einer Prelldauer unter 0,2 ms stark reduziert.

Bistabile Relais bieten gutes Temperaturverhalten

Ein weiterer Vorteil bistabiler Relais ist das Temperaturverhalten. Weil die Relaisspule immer nur mit Impulsen im Millisekunden-Bereich betrieben wird, entsteht dadurch auch beinahe keine Verlustleistung und damit fast keine Wärmeentwicklung. Dieser Aspekt kommt für den Entwickler ganz besonders stark zum Tragen, wenn es um eine hohe Packungsdichte geht und gleichzeitig das Gerät auch bei erhöhten Umgebungstemperaturen (z.B. 85°C) tadellos funktionieren muss.

Panasonic Industry bietet polarisierte Relais für ein breites Spektrum von Anwendungsbereichen an: Von der Home & Building Automation über die Industrietechnik bis zur Smart City Automation – in allen Bereichen mit Schaltanforderungen bis 90 A lässt sich der Energieverbrauch von elektromechanischen Relais damit nicht nur drastisch reduzieren, sondern zum Teil gänzlich eliminieren.

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* Markus Bichler ist Senior Marketing Manager bei Panasonic Industry Europe in Ottobrunn.

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