Elektromechanische Relais kontra Schaltschütze

Elektromechanische Relais können mit einem Steuersignal von nur wenigen Volt relativ hohe Ströme schalten. Außerdem bieten sie eine gute Spannungsisolation zwischen Steuersignal und geschalteter Leistung. Stärkere Ströme und sehr hohe Schaltspannungen erfordern jedoch Schaltschütze, die im Wesentlichen extrem leistungsstarke elektromechanische Relais sind. Die meisten Entwickler sind mit den vielen verschiedenen Relaistypen vertraut, die von Reed- bis hin zu Hochleistungsrelais reichen. Jedoch sind nur wenige Personen außerhalb der industriellen Energiewirtschaft mit Schaltschützen vertraut, die häufig zum Schalten von Hochspannungsschaltkreisen und sehr hohen Lasten eingesetzt werden.

Relais kontra Schaltschütze

Bild 1: Reed-Relais der JWD-Serie mit der Grundfläche eines DIP-Gehäuses mit 14 Pins sind mit vielen verschiedenen Spulenspannungen und Kontaktkonfigurationen erhältlich. TE Connectivity Potter and Brumfield Relays

Sowohl bei Relais als auch bei Schaltschützen handelt es sich um elektromechanische Komponenten, die über einen Elektromagneten ein oder mehrere Kontaktpaare betätigen. Einpolige Relais oder Schaltschütze verfügen über nur ein Kontaktpaar. Es gibt auch zweipolige Relais und Schaltschütze und die Anzahl der Kontakte kann relativ hoch werden. Schaltschütze können als Schließer oder Öffner konzipiert sein. Manche Relais und Schaltschütze verfügen auch über Umschaltkontakte, die einen Schließer- und einen Öffnerkontakt kombinieren.

Relais eignen sich zum Schalten niedriger und mittlerer Stromlasten bei relativ niedrigen Spannungen und sind in vielen Formfaktoren erhältlich, unter anderem als steckbare und platinenmontierbare Versionen, die auf eine Leiterplatte gelötet werden können. Schaltschütze sind für hohe Ströme und hohe Spannungen konzipiert.

Die Auswahl eines passenden Relais oder Schaltschützes hängt stark von der zu schaltenden Last ab. Die folgenden Zusammenstellung führt verschiedene Lasttypen auf und gibt Tipps für den Umgang mit diesen Lasten.

• Ohmsche Lasten weisen beim erstmaligen Einschalten keinen Stromstoß auf. Das bekannteste Beispiel für eine ohmsche Last ist ein einfaches Heizgerät. Wenn seine angegebene Stromaufnahme 10 A beträgt, kann es mit einem 10-A-Relais sicher geschaltet werden. In der Realität existieren nur sehr wenige rein ohmsche Lasten. Die meisten Lasten treten als eine Kombination von zwei oder mehr Lasttypen auf.
• Lampenlasten ziehen beim erstmaligen Einschalten hohe Ströme. Der Glühfaden einer Glühlampe hat einen hohen Temperaturkoeffizienten. Im kalten Zustand kann sein Widerstand lediglich fünf Prozent des Glühfadenwiderstands einer heißen Lampe betragen. In diesem Fall wird 20-mal mehr Strom gezogen als nach dem Aufheizen der Lampe. Eine Glühlampe mit 75 W zieht im Normalbetrieb einen Strom von etwas mehr als einem halben Ampere. Beim Einschalten jedoch zieht der kalte Glühfaden einen Einschaltstrom von 13 A. Obwohl dieser Einschaltstrom nur für etwa eine Zehntelsekunde anhält, müssen alle Relaiskontakte, über die eine Glühlampenlast fließt, für diesen hohen Einschaltstrom geeignet sein.
• Motorlasten ziehen beim erstmaligen Einschalten ebenfalls hohe Ströme. Ein einphasiger Synchronmotor mit 110 V_AC und 1/3 PS zieht üblicherweise etwas über 4 A. Beim Anlassen oder mit einem blockierten Rotor kann derselbe Motor über 24 A ziehen. Ohne mechanische Last kann der Motor im unbelasteten Betrieb 6 A ziehen.
• Kapazitive Lasten verursachen beim Einschalten hohe Stromstöße, da ein Kondensator stets versucht, für sich selbst eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Wird an einen ungeladenen Kondensator eine Spannung angelegt, verursacht dies praktisch kurzzeitig einen Kurzschluss. Solch hohe Einschaltströme können dazu führen, dass die Relaiskontakte verschweißen. Typische kapazitive Lasten sind die Ausgangsspannungen von DC-Netzteilen sowie andere gefilterte Stromversorgungen.
• Induktive Lasten bieten ein sanftes Anlaufen, da der Laststrom beim Einschalten langsam ansteigt. Beim Abschalten der Last wird an den Kontakten des Relais jedoch eine induktive Spannungsspitze induziert, da eine Induktivität stets versucht, für sich selbst einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten. Diese induzierte Spannungsspitze kann hoch genug sein, um an den Kontakten des Relais einen Lichtbogen zu verursachen, wodurch die Kontakte langsam abschmelzen und es bei jedem Schaltvorgang zu Lochfraß an den Kontaktflächen kommen kann. Das erklärt, warum in die Spulen mancher Relais Snubber-Dioden integriert sind, um einen Lichtbogenüberschlag zu vermeiden. Beispiele für hohe induktive Lasten sind Magnetantriebe, elektrisch betätigte Ventile und Relais.

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Bild 3: Das Schaltschütz J7KNA-AR-31 24VS verfügt über eine Magnetspule mit 24 VDC und einen vierpoligen Ein-Aus-Schalter. Omron Automation & Safety

Wichtige Spezifikationen von Relais sind die Spulenspannung, der Betrieb mit AC- oder DC-Spule, Nennstrom und Konfiguration der Kontakte (Schließer, Öffner, mehrpolig), die Anzahl der Kontakte sowie die Betätigungs-/Abfallzeiten. Es ist wichtig, das Schalten von Strömen zu vermeiden, die für den zuverlässigen Betrieb eines Relais zu gering sind. Für den ordnungsgemäßen Betrieb der Kontakte eines Relais kommt es ein bisschen darauf an, dass ein vorgeschriebener Mindeststrom geschaltet wird. Dieser Strom entfernt Verunreinigungen, die sich auf den Kontaktflächen des Relais gebildet haben können.

Die Untergrenze für den Strom, mit dem ein Relais zuverlässig geschaltet werden kann, hängt von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise dem Material und der Geometrie der Kontakte und den mechanischen Gleiteigenschaften der Kontaktflächen ab. All diese Faktoren haben Einfluss auf den minimalen Schaltstrom eines Relais. Mit Relais mit vergoldeten Kontakten und mit Gabelkontakten können Ströme von lediglich 10 mA zuverlässig geschaltet werden.

Normale Reed-Relais und solche mit quecksilberbenetzten Kontakten eignen sich für Schaltanwendungen mit niedrigen Pegeln. Ein Beispiel: Die Reed-Relais JWD und JWS von TE Connectivity Potter und Brumfield Relays sind mit verschiedenen Spulenspannungen von 5 bis 24 V_DC sowie in verschiedenen ein- und zweipoligen Konfigurationen erhältlich.

Das Reed-Relais JWD-171-10 von TE Connectivity beispielsweise verfügt über eine 24-V-Spule mit einer integrierten Snubber-Diode und einen Arbeitskontakt zum Schalten eines maximalen Stroms von 500 mA bei 20 V. Die Reed-Relais der JWD-Serie können auf einer Leiterplatte montiert werden und verfügen über dieselbe Grundfläche wie eine integrierte Schaltung in einem DIP-Gehäuse mit 14 Pins, obwohl sie nur acht Pins aufweisen (Bild 1).

Reed-Relais sind üblicherweise nicht zum Schalten höherer Lasten geeignet, für die ein größeres Gehäuse benötigt wird, um die größeren Kontakte für hohe Ströme unterbringen zu können. Das Mehrzweckrelais G2R-1-DC24 von Omron Electronic Components beispielsweise ist für das Schalten von 10 A bei 24 V geeignet. Es verfügt über eine 24-V-DC-Spule und eine SPDT-Kontaktkonfiguration (Single Pole Double Throw). Dieses Relais ist etwas größer als die Reed-Relais der JWD-Serie von TE Connectivity, kann jedoch ebenfalls noch auf einer Leiterplatte montiert werden (Bild 2).

Omron Electronic bietet mit dem G2R-1-SND-DC24(S) außerdem ein ähnliches Relais an, das für steckbare Plug-in-Anwendungen konzipiert ist. Es gibt mehrere passende Zusatzstecker für diese Relaisausführung in Versionen, die für DIN-Schienen, Frontplatten und Durchsteckplatinen geeignet sind.

Schaltschütze im Details

Ein Schaltschütz ist die Entsprechung eines Relais für industrielle Schwerlastanwendungen und kommt standardmäßig in Industrieanwendungen zum Einsatz. Schaltschütze sind etwas robuster als Relais und lassen sich üblicherweise problemlos auf einer standardmäßigen DIN-Schiene montieren. Manche verfügen über zusätzliche Montagebohrungen, sodass sie direkt an einer flachen Oberfläche befestigt werden können. Sie sind ausgelegt auf das Schalten hoher Lasten, wie etwa Kleinmotoren und Schrittmotoren mit mehreren PS, großer Heizlasten und Beleuchtungen von Industrie- und Wohngebäuden. Folglich sind Schaltschütze zur Aufnahme großer Hochstromdrähte konzipiert.

Wie Relaisspulen auch sind die Spulen für Schaltschütze mit AC- oder DC-Spezifikationen erhältlich. Schaltschütze, die von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gesteuert werden, verfügen normalerweise über Magnetspulen mit 24 V_DC. Spulenantriebe für AC-Leitungsspannungen (inklusive 110, 220 und 240 V_AC) sind jedoch ebenfalls gebräuchlich.

Bild 4: Das abgedichtete, nicht modulare Schaltschütz EV200AAANA ist zum Schalten von 500 A mit einer Steuerspannung von 12 V geeignet. TE Connectivity

Wie bei Relais auch zieht der Elektromagnet eines Schaltschützes einen Aktuator oder Stößel magnetisch an, der dann eine Verbindung mit einem oder mehreren der elektrischen Kontaktpaare des Schaltschützes herstellt. Anders als Relais sind Schaltschütze modular aufgebaut, weswegen der Elektromagnet problemlos ausgetauscht werden kann, um die Spannung zu ändern. Da Relais üblicherweise nicht modular aufgebaut sind, muss in der Regel das gesamte Relais ausgewechselt werden, wenn die Konfiguration eines Relais geändert werden soll. Dank des modularen Aufbaus von Schaltschützen können Benutzer auch die Anordnung der betätigten Kontakte ändern.

Schaltschütze verfügen für gewöhnlich über mehrere Kontaktsätze. Manchmal bieten Schaltschütze nur Hochstromkontakte. Sie können jedoch auch über eine Mischung aus Hoch- und Niederstromkontakten verfügen, die für das gleichzeitige Schalten von Leistungs- beziehungsweise Signalkreisen verwendet werden. Der Niederstromkontakt wird auch als Hilfskontakt bezeichnet. Der Unterschied zwischen den zwei Kontakttypen liegt darin, dass Hochstromkontakte größer ausfallen als die Niederstromkontakte, um die höheren Lastströme übertragen zu können. Ein Schaltschütz zur Steuerung eines Drehstrommotors etwa könnte über drei Hochstromkontakte für die Motorleistung und einen Hilfskontakt zur Ausgabe des momentanen Betätigungszustands des Motors verfügen.

Das Schaltschütz J7KNA-AR-31 24VS von Omron Automation & Safety beispielsweise verfügt über eine Magnetspule mit 24 V_DC und einen vierpoligen Ein-Aus-Schalter (Bild 3). Die Kontakte sind für 10 A bei einer maximalen Schaltspannung von 600 V_AC geeignet. Die J7KNA-AR-Serie von Omron Automation & Safety ist modular und gestattet das Festlegen zahlreicher Optionen, inklusive Spulenspannung, Kontaktanordnung (erhältlich in 4-, 6- und 8-poligen Versionen) und Montageverfahren.

Die Mechanik von Schaltschützen hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, sodass es nun möglich ist, mehrere Schaltschütze mechanisch zu verbinden und dadurch mehrere gleichzeitige Betätigungen zu ermöglichen. Ebenfalls realisierbar ist eine mechanische Verriegelung, die verhindert, dass ein Schaltschütz betätigt wird, wenn gerade ein benachbartes Schaltschütz betätigt wird.

Da bei Schaltschützen mit hohen Strömen und hohen Spannungen gearbeitet wird, kann die Lebensdauer des Schaltschützes verlängert werden, wenn ein Schaltschütz mit höherer Strombelastbarkeit als nötig verwendet wird. Bei größeren Kontakten ist der Verschleiß durch die Betätigung aufgrund der stabileren Bauweise und der dickeren Beschichtung geringer.

Das EV200AAANA von TE Connectivity Aerospace Defense and Marine ist ein Beispiel für ein solches Hochstrom-Schaltschütz. Dieses Schaltschütz ist für Lasten von 900 V und Ströme von 500 A oder die Unterbrechung eines Laststroms von 2000 A bei 320 V_DC über seine Hauptstromkontakte geeignet. Mehrere Hilfskontakte sind auf Ströme von 2 A bei 30 V_DC oder 3 A bei 125 V_AC ausgelegt. Das Schaltschütz EV200AAANA verfügt über eine Magnetspule mit 12 V_DC. Für dieses Schaltschütz wird ein abgedichtetes, nicht modulares Design verwendet (siehe Bild 4). Dieses Schaltschütz kommt üblicherweise in Batterieschaltungen, in Notstromversorgungen mit Batterien, bei der DC-Leistungsregelung und als Schaltungsschutz zum Einsatz.

Für spezielle Anwendungen sind auch spezielle Schaltschütze erhältlich. So erfordern beispielsweise viele industrielle und kommerzielle Schaltschütz-Anwendungen das Schalten von Beleuchtungslasten mit sehr hohen Einschaltströmen, die zum Verschweißen der Kontakte eines normalen Schaltschützes führen können. Eine Halogenmetalldampflampe etwa ist eine solche Last mit einem hohen Einschaltstrom. Schaltnetzteile stellen ebenfalls vergleichbar hohe kapazitive Lasten dar, die hohe Einschaltströme ziehen. Es gibt spezielle Schaltschütze mit integrierten NTC-Thermistoren, die den Einschaltstrom der Last begrenzen und dadurch verhindern, dass die Kontakte verschweißen. Dasselbe Ergebnis lässt sich erreichen, wenn dem Stromkreis extern zum Schaltschütz ein NTC-Thermistor zur Einschaltstrombegrenzung hinzugefügt wird.

Fazit

Relais und Schaltschütze sind sehr effiziente Komponenten zum Schalten von elektrischer Leistung, solange sie über die passenden Spezifikationen verfügen, das heißt die richtige Spulenspannung (inklusive AC und DC) und korrekt dimensionierte Kontakte. Relais sind in vielen Formfaktoren erhältlich. Schaltschütze hingegen sind standardisierte Industriekomponenten, die eher in einheitlicheren Formfaktoren erhältlich sind. Die Auswahl hängt von der zu schaltenden Last ab, wobei jedoch auch der Lasttyp (ohmsch, kapazitiv oder induktiv) zu berücksichtigen ist.

(ah)