Elektromechanische Relais

Welche Auswahlkriterien man für Relaisspulen anwenden sollte

| Autor / Redakteur: Jürgen Steinhäuser * / Kristin Rinortner

Relaisspulen: Eine Spule ist (eben nicht einfach) eine Spule, eine Spule, eine Spule.... (angelehnt an das Gedicht von Gertrude Stein „Sacred Emily“ aus dem 1922 veröffentlichten Buch Geography and Plays)
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Relaisspulen: Eine Spule ist (eben nicht einfach) eine Spule, eine Spule, eine Spule.... (angelehnt an das Gedicht von Gertrude Stein „Sacred Emily“ aus dem 1922 veröffentlichten Buch Geography and Plays) (Bild: Elesta relays)

Die Auswahl der bestmöglichen Spule ist gerade bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten ein Muss, um den Forderungen nach Energieeffizienz, Wärmebilanz und hoher Zuverlässigkeit zu genügen.

Bei der Relaisauswahl stehen oft anwendungsbezogenen Fragen im Vordergrund. Liegen Grundparameter wie z.B. Schaltlasten und die Bauteilabmessungen fest, geht es in erster Linie um die elektrische Lebensdauer der Schaltkontakte. Mögliche Schutzbeschaltungen zur Verbesserung werden noch analysiert und die notwendigen Zuverlässigkeitswerte (B10d) zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit vom Hersteller eingeholt. Nun fehlt noch ein Blick in die Spulenspannungstabelle und schon ist das geeignete Relais bestimmt. Zu kurz gedacht?

Sicherlich sind im Regelfall Relais mit robusten Antrieben ausgestattet und bei salopper Auswahl der Relaisspule „funktioniert“ die Ansteuerung problemlos. Ist jedoch sichergestellt, dass die bestmögliche Leistungsfähigkeit erreicht wird?

Nachfolgend werden einige Aspekte beleuchtet, die bei der Auswahl der Relaisspule zu beachten sind und zur Verbesserung der Relaisfunktionalität beitragen. Bild 1 zeigt eine Relaisspule, Bild 2 die Spulenspannungstabelle SGR 282 Z SEN.

Einflussgrößen auf den Relaisantrieb

Vergegenwärtigen wir uns die Einflussgrößen auf den Relaisantrieb. Die benötigte Antriebskraft wird von der Magnetspule über die induzierte elektrische Leistung erzeugt. Dabei wird ein elektrischer Strom eingestellt, der sich aus dem Spulenwiderstand und der Spulenspannung ergibt. Begrenzt wird die maximal zulässige Spulenspannung durch die Eigenerwärmung der Spule bei maximalem Spulenstrom, also der maximalen Verlustleistung an der Spule. Dies ist so zu gestalten, dass das gesamte Relais thermisch nicht überlastet wird.

Leider ist der eingestellte Spulenstrom während des Betriebs des Relais nicht statisch. Neben möglichen Schwankungen der Versorgungsspannung bewirkt die Aufheizung der Relaisspule durch die Umgebungstemperatur und die Verlustleistung des Drahtwiderstands der Spule eine Veränderung des Spulenwiderstandes und damit des Spulenstroms. Die zulässige Spulengrenztemperatur liegt in der Regel bei 120°C. Dies ergibt eine Temperaturdifferenz von rund 100 K gegenüber der Angabe in der Spulentabelle für 20°C.

Für die Spulenwicklung aus Kupferlackdraht bedeutet dies einen satten Widerstandsanstieg um rund 40%. Für Elektrolytkupfer beträgt die Konstante für die Veränderung des ohmschen Widerstandes rund 0,4% pro 1 K bzw. α0= 1/234,5 [K–1]. Bei einer 24 V DC-Spule mit einem Widerstand von 800 Ω stellt sich bei 20°C ein Strom von 30 mA ein. Bei 120°C erhöht sich der Widerstandswert bei gleicher Erregerspannung von 24 V DC auf 1120 Ω und somit beträgt die Stromaufnahme nur noch 21 mA. Dies hat zur Konsequenz, dass die tatsächliche Spulenkraft sehr viel geringer ausfällt als im kalten Zustand.

Klar wird damit, dass die Betrachtung der Standardwerte bei 20°C nur geringe Aussagekraft hat. Viel entscheidender ist die Betrachtung des gesamten Arbeitsbereiches der Spule, der im Spulenerregerspannungsdiagramm (Bild 3) dargestellt ist.

Um das Diagramm universell einsetzen zu können, wird das Verhältnis der tatsächlichen Betriebsspannung UB mit der aus der Spulenspannungstabelle entnommenen Nennspannung UN ins Verhältnis gesetzt. Dies ergibt den Faktor UB/UN, der rechts an der Ordinate des Diagramms aufgetragen ist. Dieser würde bei einer Betriebsspannung von 24 V DC und einer Spulenspannung von 24 V DC den Faktor 1 ergeben.

Die obere Kurve (Graph 1) in Bild 3 beschreibt die maximale Erregerspannung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur. Wird diese überschritten, steigt die Spulengrenztemperatur über die zulässige Grenze von 120°C hinaus an. Eine Schädigung des Relais ist dann möglich.

Die Kurve 2 in Bild 3 legt den Wert für die minimale Anzugsspannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur fest. Wird diese unterschritten, zieht das Relais nicht mehr ordnungsgemäß an und Funktionsstörungen sind zu erwarten. In der Abszisse wird der Verlauf der Umgebungstemperatur aufgezeigt. Dies wird nach einem standardisierten Verfahren, welches in der Relaisnorm IEC / EN 61810-1 festgelegt ist, durchgeführt.

Dadurch kann der Spulenarbeitsbereich einfach ermittelt werden. Zuvor scheint es jedoch angebracht, sich die optimale Ansteuerung eines Relais zu vergegenwärtigen, um danach die Spulenerregerspannungskurve als Werkzeug nutzen zu können.

Relais leben von der Schaltdynamik. Vereinfacht gesagt, ein schnelles Schließen oder Öffnen der Kontakte hat einen positiven Einfluss auf das Schaltverhalten des Relais. Bei höheren Schaltlasten, bei denen Lichtbögen zu erwarten sind, hilft schnelles Schalten diese zügig zu löschen und ein Wiederzünden zu verhindern. Geringere Aufheizung der Kontaktstellen und weniger Kontaktabbrand sind die Folge. Daneben wird die Gefahr des Kontaktverschweißens im Regelfall verringert.

Bei kleinen Schaltlasten hilft die hohe Dynamik des schnellen Schaltens die mechanische Frittung des Relais zu verbessern. Diese Selbstreinigung erhöht die Kontaktzuverlässigkeit.

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