Relais-Tipp Temperaturbetrachtung bei zwangsgeführten Relais

Autor / Redakteur: Knut Dankert * / Kristin Rinortner

In diesem Tipp erklären wir, was zu tun ist, um den bestimmungsgemäßen Betrieb eines zwangsgeführten Relais in der Applikation zu verifizieren.

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Bild 1: Messen der Temperaturen von Kappe und Relaisanschlüssen
Bild 1: Messen der Temperaturen von Kappe und Relaisanschlüssen
(Bild: TE)

Jeder Ingenieur kennt zu Beginn einer neuen Entwicklung den Punkt, an dem der Betriebstemperaturbereich eines Gerätes festgelegt wird. Abhängig von dieser Festlegung leiten sich die Betriebstemperaturen der für die Anwendung benötigten Bauteile ab.

Bauteilehersteller geben in den Datenblättern Werte für den Betrieb in einem bestimmten Temperaturbereich, z.B. –20 bis 70°C, an. Diese Angabe wird mittels standardisierter Versuche unter maximalen zulässigen Betriebsbedingungen überprüft. Der Versuchsaufbau ist auf Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit ausgelegt und nicht auf den Einsatz unter ungünstigen räumlichen Bedingungen, wie sie bei DIN-Schienen-Sicherheitsrelais-Modulen vorkommen.

Bei elektromechanischen Relais wird die Umgebungstemperatur – bei einem Aufbau von drei nebeneinanderliegenden Relais – in 50 mm Abstand horizontal hinter der Spule des in der Mitte befindlichen Relais bestimmt. Dieser Erwärmungsversuch wird in einer Temperaturkammer ohne Umluft bei maximaler Umgebungstemperatur mit maximal zulässigem Kontaktstrom und dauerhafter Spulenerregung mit 110% der Spulenbemessungsspannung durchgeführt. Was ist also zu tun, um den bestimmungsgemäßen Betrieb des zwangsgeführten Relais in der Applikation zu verifizieren?

Wie man eine Messung durchführt

Messbedingungen: Zur Messung sind die Relais unter den Bedingungen zu betreiben, die die maximal mögliche Erhitzung der Relais bewirken. Insbesondere sind zu beachten: die Anordnung der Relais, die max. Spulenspannung, Erregungszeit – Relaisspule, Strombelastung – Kontakte, äußere Wärmequellen, max. Umgebungstemperatur, Stauwärme zulassen (keine Umluftkammer) und thermisches Gleichgewicht abwarten (Temperaturänderung innerhalb 10 min <2 K).

Spulentemperatur: Zum Ermitteln der mittleren Spulentemperatur sind Relaisspulenspannung und Relaisspulenstrom der einzelnen Relais zum Beginn des Versuches und nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes zu messen. Mit den ermittelten Werten und der mathematischen Beziehung aus Gleichung 1 lässt sich die mittlere Spulentemperatur des Relais errechnen.

Darin bezeichnen: Rk = Uk / Ik den Spulenwiderstand – kalt, gemessen zum Beginn des Versuches, tk die Umgebungstemperatur zu Beginn des Versuches, gemessen an einem Relais und Rw = Uw / Iw den Spulenwiderstand – warm, gemessen nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts.

Temperatur der Kappe und der Relaisanschlüsse: Es ist notwendig, die Relais eines Mustergerätes mit Sensoren zu versehen und die Werte mit einem Temperaturrekorder aufzuzeichnen.

Grenzwerte und deren Bewertung

Die Grenzwerte ergeben sich aus den spezifischen Temperaturkennzahlen der verwendeten Kunststoffe sowie der Klasse der Isolationswerkstoffe, zum Beispiel: Kappenoberfläche: <110 C°; Lötanschlüsse: <120 C°, Spulentemperatur: <130 C° (tSpule).

Wurden Grenzwerte überschritten, müssen Maßnahmen getroffen werden, die die Erhitzung des Relais vermindern. Eine zu hohe Spulentemperatur kann durch den Betrieb mit abgesenkter Spulenspannung (Haltespannung) reduziert werden. Besonders effektiv ist dabei eine Reduktion der Spulenverlustleistung indem die Spule mittels pulsweitenmodulierter Spannung versorgt wird. Hierbei ist zum Start der Relais für 100 ms eine Spannungsversorgung mit der Spulenbemessungsspannung sicherzustellen, danach kann die Spannung mit einer Grundfrequenz von >20 kHz und einem um 40% abgesenkten effektiven Spannungswert betrieben werden.

Liegen die Temperaturen der Lötanschlüsse außerhalb der Grenzwerte, muss der Laststrom durch die Kontakte reduziert werden. Liegen die gemessenen und berechneten Temperaturen unter den Maximalwerten, ist der Nachweis erbracht, dass das Relais hinsichtlich des Temperaturverhaltens bestimmungsgemäß eingesetzt wird.

* Knut Dankert arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Relay Products in Berlin.

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