Mit einer neuen, patentierten Konzeption hat Phoenix Contact die Baugröße von Elementarrelais erheblich verringert. Dadurch kann jetzt der Bauraum für sichere Schaltgeräte deutlich reduziert werden.

Mit einer neuen, patentierten Konzeption hat Phoenix Contact die Baugröße von Elementarrelais erheblich verringert. Dadurch kann jetzt der Bauraum für sichere Schaltgeräte deutlich reduziert werden. Phoenix Contact

Sicherheitsrelais sind seit vielen Jahren in fast jedem Schaltschrank für industrielle Anwendungen zu finden. Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, die aus bewährten Komponenten wie zwangsgeführten Relaiskontakten resultiert, sowie der einfachen Handhabung haben sie sich in unzähligen Anwendungen etabliert. Die Sicherheitsrelais werden insbesondere dort eingesetzt, wo große Lasten direkt zu schalten sind oder eine potenzialfreie Weitergabe sicherheitsrelevanter Signale der Entkopplung verschiedener Potenziale dient.

Die Safety-Module wiesen lange Zeit ein Standard-Rastermaß von 22,5 mm Breite auf. Einer weiteren Verkleinerung der Abmessungen standen die intern verwendeten zwangsgeführten Elementarrelais entgegen, deren Baugröße und Leistungsvolumen praktisch keine zusätzliche Miniaturisierung zuließ. Daher haben die Elektronik-Ingenieure des Unternehmens ein kleineres Elementarrelais in derselben Bauart entwickelt.

Leistungsdaten wie bisherige Elementarrelais

Elementarrelais mit zwangsgeführten Kontakten werden eingesetzt, um Mensch und Maschine vor Gefährdungen zu schützen. Zu diesem Zweck sind der Öffner- und Schließerkontakt des Elementarrelais durch eine mechanische Vorrichtung miteinander verbunden. So wird verhindert, dass Öffner und Schließer gleichzeitig geschlossen sind. In Verbindung mit einer geeigneten Auswertung lässt sich ein Öffnungsversagen auf diese Weise zuverlässig erkennen und das Sicherheitsrelais über einen zweiten unabhängigen Abschaltpfad steuerungstechnisch sicher verriegeln.

Die in der Norm EN 50205 beschriebenen Anforderungen und die sich daraus ableitenden konstruktiven Lösungen haben dazu geführt, dass Relais mit zwangsgeführten Kontakten in der Regeln ein zwei- bis dreimal größeres Volumen und eine entsprechend höhere Nennleistung des Magnetsystems gegenüber vergleichbaren Standardrelais aufweisen.

Eckdaten

Die Sicherheitsrelais-Familie PSR Mini stellt Funktionen zur Verfügung, die sich besonders auf die Zielmärkte Maschinenbau und Prozesstechnik ausrichten. Die jeweils 6 mm oder 12 mm schmalen Safety-Komponenten eröffnen hier eine Platzersparnis bis 70 % gegenüber klassischen Sicherheitsrelais-Lösungen. Während die 12-mm-Baureihe den Platzbedarf bei vergleichbarer Leistung halbiert, stößt die 6-mm-Klasse in neuen Dimensionen vor, die den Aufbau feingranularer Anwendungen ab einem Freigabepfad erlauben.

Zur Überwindung dieser physikalischen Abhängigkeit hat sich der Elektronikhersteller das Ziel gesetzt, ein möglichst kleines Relais mit hoher Schalt- und geringer Betriebsleistung, also möglichst großer Effizienz zu entwickeln. Konzeptionell besteht es aus einem Schließer- und einem Öffnerkontakt. Das Besondere daran ist, dass das lediglich 6 mm schmale Relais über die gleichen Leistungsdaten wie die klassischen am Markt angebotenen Varianten mit Zwangsführung verfügt (Bild 1), wobei diese ein erheblich größeres Bauvolumen haben.

Platzoptimierte Anordnung der Bauteile

Der Schließerkontakt ist für einen maximalen Dauerstrom von 6 A ausgelegt. Der optimiert gestaltete Lastkontakt trägt zudem zu einer hohen Kurzschlussfestigkeit bei. Das Design des Elementarrelais ist so ausgeführt, dass bei kleinstmöglichem Bauraum eine hohe Isolationsfestigkeit zwischen dem Lastkontakt (NO) und der Spule sowie dem Diagnosekontakt (NC) erreicht wird. Da der als Diagnosekontakt ausgelegte Öffnerkontakt und der Anker direkt miteinander verbunden sind, lassen sich die Bauteile platzoptimiert anordnen.

Die Federn des Öffnerkontakts und die Überhubfeder bestehen aus Edelstahl, weshalb sie einerseits sehr gute mechanische Kennwerte bei kleinen Abmessungen erzielen. Darüber hinaus zeigen sie eine größere Robustheit als vergleichbare Federn aus einer Kupferlegierung. Der redundant aufgebaute Diagnosekontakt sorgt ferner für eine hohe Zuverlässigkeit der Kontakte.

Bild 1: Effizienzvergleich der von verschiedenen Herstellern angebotenen Relais mit zwangsgeführten Kontakten

Bild 1: Effizienzvergleich der von verschiedenen Herstellern angebotenen Relais mit zwangsgeführten Kontakten Phoenix Contact

Das Magnetsystem beruht auf der Wirkung von überlagernden Flüssen eines Dauermagnetkreises und dem durch die Spule erzeugten Betriebsfluss. Aufgrund der richtungsabhängigen Überlagerung des Dauermagnetflusses und des Betriebsflusses der Spule sowie einer entsprechend angepassten Geometrie wird die notwendige rund dreifache Arbeit des Magnetsystems gegenüber den bisher auf dem Markt erhältlichen Relais mit Zwangsführung in vergleichbarer Baugröße erreicht. Das patentierte Funktionsprinzip des Antriebssystems erfordert außerdem eine nur geringe Leistungsaufnahme (Bild 2).

Bild 2: Das Magnetsystem des Elementarrelais kombiniert einen Dauermagneten mit dem Betriebsfluss durch Spulenerregung.

Bild 2: Das Magnetsystem des Elementarrelais kombiniert einen Dauermagneten mit dem Betriebsfluss durch Spulenerregung. Phoenix Contact

Montagekonzept für hohe Fertigungsgenauigkeit

Mittels einer „Robust-Design-Optimierung“ hat ein eingespieltes Entwicklerteam das bauliche Design des Relais verbessert und dabei gleichzeitig auf Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen, Werkstoffparametern und Umwelteinflüssen geachtet. Auf Grundlage der in der Automobil-Industrie gesammelten Erfahrungen – wo die höchsten Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Bauteile gestellt werden – wurde unter Berücksichtigung der Gesetze aus der Bruchmechanik und der Festigkeitslehre der Avionik ein neues Konzept erarbeitet und patentiert. Dem theoretischen Ansatz folgend wurden die Ergebnisse in aufwendigen Messreihen bestätigt und anschließend durch den TÜV Rheinland und den VDE zertifiziert.

Bild 3: Das neu entwickelte Elementarrelais mit Zwangsführung wird bei Phoenix Contact im eigenen Haus gefertigt, um die hohen Qualitätsanforderungen in der Teile-Herstellung und Montage erfüllen zu können.

Bild 3: Das neu entwickelte Elementarrelais mit Zwangsführung wird bei Phoenix Contact im eigenen Haus gefertigt, um die hohen Qualitätsanforderungen in der Teile-Herstellung und Montage erfüllen zu können. Phoenix Contact

Damit das Bauteil die erforderliche Fertigungsgenauigkeit erfüllt, wird das Elementarrelais mit allen Einzelteilen bei Phoenix Contact selbst produziert. Eine Schlüsselrolle kommt dabei dem Konzept in der Spritzgussmontage zur Sicherung der notwendigen Genauigkeiten und Toleranzen zu. Die für die Funktion relevanten Bezugsobjekte – die Lagerstelle des Ankers, die Polstücke des Magnetsystems, die Festkontakte des Diagnose- und Lastkontakts sowie die zugehörigen Teile der Dauermagnetbrücke – sind mittels Kunststoff-Umspritzung fixiert.

Auf diese Weise werden die Elemente mit kleinsten Toleranzen zueinander positioniert. Die minimalen Toleranzen führen wiederum zu geringen Streuungen der Magnetkraft und der Federsatzkennwerte, beispielsweise des Kontaktabstands. Dieses bislang nur bei Telekom-Relais der vierten Generation verwendete Montageprinzip wird nun erstmals für Relais mit zwangsgeführten Kontakten genutzt. Durch das neue Design-Konzept des Magnetsystems sowie die spezielle Anordnung der Kontaktsystemteile zum Magnetsystem reduziert sich so das Bauvolumen im Vergleich zu derzeit angebotenen Relais mit zwangsgeführten Kontakten erheblich (Bild 3).

Bild 4: Die neue Produktfamilie von Sicherheitsrelais PSR Mini ist in einer Baubreite von 6 mm und 12 mm erhältlich.

Bild 4: Die neue Produktfamilie von Sicherheitsrelais PSR Mini ist in einer Baubreite von 6 mm und 12 mm erhältlich. Phoenix Contact

Produktspektrum in 6 und 12 mm Baubreite

Die erste Generation der Baureihe PSR Classic hat der Hersteller bereits im Jahr 2000 auf den Markt gebracht und in den folgenden Jahren weiter ausgebaut. Auf Basis der neuen Relais-Technik lassen sich jetzt bisher nicht gekannte Safety-Lösungen realisieren. Die Sicherheitsrelais-Familie PSR Mini stellt beispielsweise Funktionen zur Verfügung, die sich besonders auf die Zielmärkte Maschinenbau und Prozesstechnik ausrichten. Die jeweils 6 mm oder 12 mm schmalen Safety-Komponenten (Bild 4) eröffnen hier eine Platzersparnis bis 70 % gegenüber klassischen Sicherheitsrelais-Lösungen. Während die 12-mm-Klasse den Platzbedarf bei vergleichbarer Leistung halbiert, stößt die 6-mm-Klasse in neue Dimensionen vor. Sie erlaubt den Aufbau feingranularer Anwendungen ab einem Freigabepfad.

Bei der Entwicklung von PSR Mini hat der Hersteller besonderen Wert auf eine hohe Kompatibilität zu den verschiedenen Signalgebern gelegt. Neben klassischen elektromechanischen Sensoren wie Not-Halt- oder Schutztürverriegelungen lassen sich ebenfalls Reed- und Transponder-Schalter anschließen. Darüber hinaus ist der Einsatz von Lichtgittern und Laserscannern möglich. Funktional gesehen verfügt die PSR-Mini-Baureihe über die gleichen Funktionen wie die PSR-Classic-Baureihe. Es sind also sowohl ein- als auch zweikanalige Geräte mit oder ohne Querschluss, wahlweise mit automatischem oder manuell überwachtem Start einschließlich Meldeausgang erhältlich, der zum Beispiel zur Diagnose an einer Steuerung genutzt werden kann.