Grundlagen zu Leistungsrelais: Hohe Stromstärken sicher schalten

Relais sind im Grunde Schalter, die andere Schalter steuern. Sie verwenden ein Signal mit niedriger Leistung, um einen Stromkreis mit höherer Leistung zu steuern. Das Auslösen des Signals mit niedriger Leistung aktiviert einen Elektromagneten, der einen Anker bewegt und bewirkt, dass sich die elektrischen Kontakte schließen, wodurch der gesteuerte Stromkreis mit Strom versorgt wird.

Dieses Design isoliert effektiv das Niedrigleistungssignal vom Stromkreis mit höherer Leistung und schützt so den Bediener vor Schäden und die Ausrüstung vor Beschädigungen. Es ermöglicht auch die Steuerung eines Geräts oder Systems aus der Ferne. Elektromechanische Relais gibt es seit dem Jahr 1835, und obwohl ihre Komponenten und ihre Vielfalt im Laufe der Jahre immer ausgefeilter und verfeinert wurden, bleibt ihre grundlegende Funktion dieselbe.

Was sind Leistungsrelais?

Bei Leistungsrelais handelt es sich um Komponenten, die speziell für das Schalten hoher Stromstärken von mehreren Ampere bis hin zu viel höheren Werten entwickelt wurden. Die eingebaute Kapazität von Leistungsrelaiskontakten zur Verarbeitung größerer Stromstärken in Verbindung mit ihren größeren und robusteren Spulen macht Leistungsrelais zu einer guten Wahl, wenn Stromstärken von in der Regel mehr als 10 A geschaltet werden. Einige Anwendungsbeispiele sind Automobilsysteme, Aufzüge, Ventilantriebe oder Geräte mit hohen Anfangsstromstößen wie Motoren, Magnetspulen, Stromversorgungen oder elektronische Vorschaltgeräte.

Wie die meisten anderen elektrischen Komponenten haben alle Relais einige Einschränkungen in Bezug auf die Leistung, die sie sicher verarbeiten können. Jedes Modell hat eine maximale Nennleistung für die zu regelnde Leistung zur effizienten Anpassung an Lasten mit geringem Stromverbrauch wie Glühbirnen bis hin zu solchen mit hohem Stromverbrauch wie große Motoren. Wenn die Nennleistung des Relais jedoch überschritten wird, kann das Relais wahrscheinlich dauerhaft beschädigt werden.

Wenn die Kontakte nicht perfekt ausgerichtet sind, kann dies auch zu Kontaktlichtbögen im Relais führen. Dabei handelt es sich um den Stromfluss durch den Luftspalt zwischen den Kontakten im Relais, wenn diese geöffnet sind, aber nahe beieinander liegen. Die Gefahr durch Funken und Hitze ist nicht die einzige negative Auswirkung von Lichtbögen. Lichtbögen können auch das Relais beschädigen, indem die Kontakte erodieren und Geräte in der Nähe beschädigen, indem sie unerwünschte elektrische Störungen erzeugen (Bild 1).

Dieses Problem wird mithilfe von Leistungsrelais gelöst, die in der Regel zur Bewältigung der elektrischen Lasten von Systemen mit hohen Strömen, z. B. Heizgeräte, Motoren, Beleuchtungsanordnungen und anderen Industrieanlagen, zum Einsatz kommen. Die höheren Strom- und Spannungswerte von Leistungsrelais werden größtenteils durch die Verwendung von Schaltkontaktmaterialien ermöglicht, die sich erheblich von herkömmlichen Relais unterscheiden.

Welche Relaiskontaktmaterialien kommen zum Einsatz?

Der Stromfluss durch die Kontakte eines Relais wird mit einem Widerstand konfrontiert, der von der Größe und dem verwendeten Material der Kontakte abhängt. Eine Erhöhung des Widerstands erhöht die im Relais selbst verbrauchte Leistung und die erzeugte Wärme. Eine Möglichkeit, den Kontaktwiderstand zu senken, besteht in der Auswahl des Materials, aus dem die Kontakte hergestellt sind.

Normale Relais verwenden in der Regel Silbernickelkontakte. Dieses Metall kommt seit der Einführung von Relais zum Einsatz und eignet sich in der Regel zum Schalten von ohmschen Lasten (einfache Lasten, bei denen Strom und Spannung in Phase zueinander sind).

Relais, die für höhere Lasten ausgelegt sind (Leistungsrelais), verwenden Kontakte aus Silbercadmiumoxid, Silberzinnoxid oder einer Goldlegierung und eignen sich gut zum Schalten induktiver Lasten (Strom und Spannung sind nicht synchron, was manchmal zu starken Strom- oder Spannungsspitzen führt). Beide Kontaktmaterialien bieten einen geringeren elektrischen Widerstand und reduzieren das Kontaktschweißen bei hohen Einschaltströmen. Durch die Verwendung von Silberzinnoxid werden die Umweltprobleme von Legierungen, die Cadmium verwenden, vermieden, welches in einigen Ländern reguliert wird.

Leistungsrelais und Signalrelais sind die beiden beliebtesten Varianten eines allgemeinen Relais und können von einem direkteren Vergleich profitieren. Wichtig ist, dass bei Leistungsrelais weniger Lebenszyklen zu erwarten sind, dafür aber mit deutlich höheren Spannungen und Strömen zu rechnen ist. Signalrelais bieten mehr Lebenszyklen, kommen aber nur mit niedrigeren Spannungen und minimalen Strommengen zurecht. Diese Nutzungsunterschiede erfordern signifikant unterschiedliche Konstruktionsansätze.

Leistungsrelais sind zwar eine gute Wahl zum Schalten von Geräten mit hoher Leistung, eignen sie sich jedoch nicht für Geräte mit geringem Stromverbrauch. Die Eigenschaften der in Leistungsrelais verwendeten Kontaktmaterialien sind nicht ideal für das Schalten mit geringer Leistung. Je niedriger also die zu schaltende Spannung ist, desto kritischer ist die physische Verbindung zwischen den Kontakten, die durch den Kontaktdruck und die Sauberkeit der Kontakte und nicht durch das verwendete Material bestimmt wird.

Noch offensichtlicher ist, dass ein Signalrelais, das für eine Stromanwendung verwendet wird, höchstwahrscheinlich aufgrund von Überspannung oder Überstrom katastrophal ausfallen wird. Selbst wenn es überlebt, fehlen ihm wichtige Funktionen wie der Lichtbogenschutz und die Selbstreinigung der Kontakte. Wenn es darum geht, zwischen den beiden Typen zu wählen, ist die wichtigste Richtlinie, dass die zu schaltende Leistung immer mit der Nennleistung des Relais übereinstimmen muss.

Arten von Leistungsrelais

Wie bei normalen Relais gibt es bei Leistungsrelais zwei Grundtypen: elektromechanische und Halbleiterrelais. Elektromechanische Leistungsrelais verwenden elektrische Spulen, Magnetfelder, Federn, bewegliche Teile und Kontakte, um die Stromversorgung eines Geräts zu steuern.

Halbleiterrelais (Bild 2) für Hochleistungsanwendungen schalten sowohl Wechsel- als auch Gleichströme ohne bewegliche Teile. Sie verwenden stattdessen einen Halbleiter, z. B. einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR), einen TRIAC (eine Triode für Wechselstrom) oder einen Schalttransistor, um Strom zu schalten. Halbleiterrelais kommen zwar zum Schalten von Lasten mit hoher Leistung zum Einsatz, aber die Kosten-Nutzen-Rechnung nimmt mit steigendem Leistungsbedarf aufgrund der steigenden Kosten für geeignete Leistungshalbleiter und der Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten für das Wärmemanagement ab.

Wie normale Relais werden Leistungsrelais nach Kontaktkonfiguration oder Beschreibung klassifiziert, wodurch die Anzahl der Geräte, die sie gleichzeitig steuern können, bestimmt wird. Die gängigsten Klassifizierungen sind:

• SPST – einpoliger Ein/Aus-Schalter
• DPDT – zweipoliger Umschalter
• 3PDT – dreipoliger Umschalter
• SP3T – einpoliger Dreipunktschalter

Relaiskontakte werden entweder als normal offen (NO) oder normal geschlossen (NC) aufgeführt, und zwar je nachdem, in welchem Zustand sie sich befinden, wenn das Relais nicht mit Strom versorgt wird.

Die Relaisnennwerte beziehen sich auf die Leistungsmenge, die vom Relais sicher und effizient geschaltet werden kann. Diese Nennleistung wird normalerweise entweder als Wechselstrom, Gleichstrom oder beides ausgedrückt und in Ampere angegeben. Die Nennleistung eines Relais muss so groß wie die Nennleistung des zu schaltenden Geräts, einschließlich eines Sicherheitsfaktors, sein.

Genau wie bei herkömmlichen Relais lassen sich Leistungsrelais mit den Begriffen „Formen“ beschreiben. Sätze wie „1 Form A“ oder „2 Form C“ sagen zwei Dinge über das Relais aus. Die Zahl vor „Form“ gibt an, wie viele der beschriebenen Kontakte im Relais verfügbar sind, da sich in einer Einheit mehrere Relaisschalter befinden können. Form A bedeutet, dass das Relais normalerweise geöffnet ist und Form B bedeutet, dass das Relais normalerweise geschlossen ist. Form C gilt nur für SPDT-Relais und gibt an, welche Position als normal geschlossen gilt und dass das Relais vor dem Einschalten unterbrochen wird. Form D ist dasselbe wie Form C, es handelt sich jedoch um einen Make-before-Break-Typ (Schließen vor dem Öffnen). Es gibt viele andere Formen, aber diese vier werden am häufigsten verwendet:

• Form A – normalerweise geöffnet
• Form B – normalerweise geschlossen
• Form C – Break-before-Make-SPDT-Schalter
• Form D – Make-before-Break-SPDT-Schalter

Die Auswahl des richtigen Leistungsrelais für die jeweilige Anwendung ist relativ einfach und besteht aus den folgenden Schritten:

1. Identifizieren der erforderlichen Nennspannung und des Typs
2. Identifizieren der erforderlichen Last-Belastbarkeit
3. Ermittlung des erforderlichen Stromkreises bzw. der Schaltanordnung
4. Ermittlung der erforderlichen Steuerspannung
5. Festlegung der erforderlichen Montage

Bei einem Halbleiterrelais sind die Schritte dieselben, aber es ist auch der Lasttyp (induktiv oder resistiv) zu identifizieren. Außerdem ist zu entscheiden, ob ein SSR für Standard- oder Spezialanwendungen erforderlich ist. Auch die vom Gerät abzuleitende Wärmemenge und das entsprechende Thermomanagement müssen bestimmt werden.

Designüberlegungen für Leistungsrelais

Leistungsrelais funktionieren wie normale Relais, was bedeutet, dass bei der Gerätespezifikation ähnliche Überlegungen zu berücksichtigen sind. Einige dieser Überlegungen sind beachtenswert und beinhalten:

• Eingangsspannungsspitzen: Bestimmte Geräte können beim Start erhebliche Spannungsspitzen erzeugen. Diese sind vor der Relaisspezifikation zu bestimmen, um Schäden am Gerät zu vermeiden.
• Spulenbeschaltung: Hochspannungstransienten können entstehen, wenn ein Relais zyklisch geschaltet wird. Bei der Spulenbeschaltung werden zusätzliche Komponenten im Stromkreis verwendet, um die Geräte vor diesen Transienten zu schützen. Dies kann jedoch die Lebensdauer des Relais verkürzen. Entwickler sollten feststellen, ob eine bestimmte Strategie zur Spulenbeschaltung erforderlich ist.
• Verriegelung: Ein Verriegelungsrelais behält seine letzte Kontaktposition, auch wenn die Aktivierungsspannung unterbrochen wurde.
• Rauschen: EMI- oder RFI-Störungen können von Relais erzeugt werden, was bei Geräten mit hoher Leistung stärker ausgeprägt sein kann. Die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Rauschen muss im Voraus bestimmt werden.
• Kontaktprellen (Bild 3): Wenn ein Relais arbeitet, können die Kontakte mehrere, sehr kurze Öffnungs-/Schließzyklen durchlaufen, die als Kontaktprellen bezeichnet werden. Dadurch werden elektrische Impulse erzeugt. Je nach Empfindlichkeit der Anwendung kann dies zu unerwünschten Wirkungen führen. Vor der Spezifikation ist zu bestimmen, ob Kontaktprellen von Bedeutung ist. (na)