Relais

(Bild: Hengstler)

| von Gunnar Knuepffer

Eckdaten

Relais mit zwangsgeführten Kontakten und Halbleiterrelais verhindern gefährliche Bewegungen und ergänzen sich in Sicherheitsschaltungen oft ideal. In manchen Bahn- und Aufzugstechnik-Anwendungen hat der ausschließliche Einsatz von Sicherheitsrelais allerdings deutliche Vorteile.

Abb5-Relais-Schienenverkehr

Im Schienenverkehr sind Sicherheitsrelais in zahlreichen Anwendungen im Einsatz, in Türsteuerungen ebenso wie an Haltesignalen oder in Totmannschaltern. Shutterstock/Denis Belitsky

Hengstler

Umfangreiches Programm an Relais mit zwangsgeführten Kontakten, die auch kundenspezifisch angepasst werden. Hengstler

Das Know-how von Hengstler in puncto Sicherheitsrelais geht auf die Übernahme des Unternehmens E. Haller im Jahr 1983 zurück. Dort hatte Dipl.-Ing. Ralf-Eberhard Kirsch als Mitglied der technischen Leitung sieben Jahre zuvor eine neuartige elektromechanische Schaltvorrichtung entwickelt. Das Revolutionäre daran waren die zwangsgeführten Kontakte: Kirsch und seine Kollegen verbanden sie so miteinander, dass Öffner- und Schließerkontakte niemals gleichzeitig geschlossen sein können. Fällt also ein Schließerkontakt durch Verhaken oder Verschweißen dauerhaft aus, bleibt der dazugehörige Öffnerkontakt geöffnet. Ein zweites redundantes Relais legt dann die Anlage sicher still.

Das Konstruktionsprinzip der Sicherheitsrelais von Hengstler fand Eingang in die Normen EN 50205 beziehungsweise IEC / EN 61810-3 und wird heute von allen Herstellern dieser Bauelemente angewandt. Die Relais unterscheiden sich „nach außen“ je nach Marke nur in Details wie den Außenabmessungen, der Spulenleistung sowie dem maximalen Schaltvermögen. „Im Inneren“ gibt es dagegen große Unterschiede. Hier spielt zum Beispiel die Auswahl der Kontaktmaterialien und deren Oberflächenbehandlung eine wichtige Rolle. So spiegeln sich designtechnische Optimierungen unter anderem in der Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit der Relais wider. Zudem passt Hengstler die Relais an kundenspezifische Anforderungen an.

Wie funktionieren Sicherheitsrelais?

Die Kontakte von Relais können durch die Hitze der bei den Schaltvorgängen entstehenden Lichtbögen miteinander verschmelzen. Das hat zur Folge, dass eine Maschine selbst bei der Betätigung des Not-Aus-Schalters weiterlaufen würde. Um dies zu verhindern, werden Sicherheitssteuerungen mit mindestens zwei Relais mit zwangsgeführten Kontakten eingesetzt. Dabei sind die Ausgangskontakte der Relais in Reihe geschaltet. Fällt nun eines der Relais zum Beispiel mit einem verschweißten Schließerkontakt aus, können die Schließerkontakte der weiteren Relais in jedem Fall die Maschine abschalten und damit sicher stillsetzen. Durch die Eigenschaft der Zwangsführung bleibt im defekten Relais der Öffnerkontakt in diesem Fehlerfall geöffnet – und das laut Norm mit einer Mindestöffnung von 0,5 mm. Über diesen geöffneten Öffnerkontakt wird der aufgetretene Fehler erkannt und das erneute Einschalten der Maschine verhindert. Ein unkontrolliertes Weiterlaufen einer Anlage bei einem Defekt im Relais ist damit ausgeschlossen.

Halbleiterrelais arbeiten verschleißfrei

Halbleiterrelais sind eigentlich gar keine richtigen Relais. Sie bestehen nicht aus beweglichen Teilen wie ein Relais, sondern aus Halbleiterbauelementen, Transistoren, MOSFETs, Thyristoren, Diacs und Triacs, mit denen eine Relaisfunktion realisiert wird. Das Schaltelement in einem Halbleiterrelais ist ein Schalttransistor, Triac oder MOSFET, der von einem Fotowiderstand oder -transistor (Optokoppler) gesteuert wird. Halbleiterrelais sind sehr kompakt und eignen sich besonders für Anwendungen, in denen hohe Lasten häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen.

Sicherheitsrelais: Robust und unkompliziert

Sicherheitsrelais haben im Vergleich zu Halbleiterrelais einige Vorteile, aber auch einige Nachteile. So erzeugen Relais mit zwangsgeführten Kontakten
zum Beispiel eine deutlich geringere Verlustleistung (Eigenerwärmung) als Halbleiterrelais und müssen deshalb – anders als diese – nicht mit Kühlkörpern ausgestattet werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Relais Gleich- oder Wechselstrom führen. Relais mit zwangsgeführten Kontakten sind zudem sehr widerstandsfähig gegenüber Spannungs- und Überstromspitzen, die an den Kontakten oder der Spule kaum Schaden anrichten können. Halbleiterrelais reagieren dagegen relativ empfindlich gegenüber Stoßströmen: Die integrierte C/R-Dämpferschaltung reicht hier nicht aus, um die Spitzen zu unterdrücken. Deshalb wird die kurzzeitige maximale Spitzenspannung des Halbleiterrelais überschritten und es kommt zu einem Überspannungsschaden. Ein weiterer Vorteil von Sicherheitsrelais ist ihr einfacher Aufbau: Er ermöglicht es dem Anwender, Ausfälle und deren Auswirkungen viel besser abzuschätzen als bei Halbleiterrelais.

Halbleiterrelais: Langlebig und schnell

Halbleiterrelais wiederum besitzen einige Vorteile gegenüber Sicherheitsrelais. So verfügen sie im Gegensatz zu elektromechanischen Relais nicht über bewegliche Teile und unterliegen damit auch keinem Verschleiß. Die elektronischen Relais sind zudem kompakter als elektromechanische Relais und weisen eine höhere durchschnittliche elektrische Lebensdauer auf. Hinzukommt, dass Halbleiterrelais deutlich kürzere Schaltzeiten bieten. Diese Eigenschaft spielt allerdings nur bei Lichtschranken, die im Sekundentakt betätigt werden, wirklich eine Rolle. Insgesamt gesehen punkten Halbleiterrelais im direkten Vergleich mit Sicherheitsrelais vor allem durch ihre sehr lange Lebensdauer.

Nicht „entweder oder“, sondern „sowohl als auch“

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Schalttechnologien ergänzen sich Sicherheits- und Halbleiterrelais ideal. Die Summe ihrer Eigenschaften ergibt eine sehr effektive Sicherheitssteuerung – besonders für Anwendungen, in denen in kurzen Abständen hohe Lasten geschaltet werden. Halbleiter und elektromechanische Sicherheitsrelais bilden hier eine geniale Symbiose. Die Halbleiterrelais halten diesen hohen Belastungen deutlich besser stand als Sicherheitsrelais. Diese wiederum sichern den Halbleiter ab, falls dieser doch einmal durchlegiert und unbrauchbar wird. Die Sicherheitsrelais laufen die meiste Zeit „im Leerlauf“ mit und setzen die Anlage im Fehlerfall zuverlässig still.

Haupteinsatzgebiete für Halbleiterrelais sind Bewegungssteuerungen und Heizungssteuerungen, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, der Kunststoffindustrie (Extruder) oder in Klima-Anlagen und in Lötsystemen. Aber auch in Beleuchtungs- und Pumpensteuerungen werden die verschleißfreien Relais oft verbaut.

Sicherheitsrelais sind erste Wahl in der Bahn- und Aufzugstechnik

Neben Anwendungen mit beiden Relaistypen gibt es zahlreiche Applikationen, in denen ausschließlich Sicherheitsrelais verbaut werden. In der Regel sind es Applikationen mit sehr hohen Sicherheitsanforderungen, wie zum Beispiel in der Bahn- und Aufzugstechnik. Viele elektrische Schaltungen müssen dort die Vorgaben des Safety Integrity Levels (SIL) 3 und 4 erfüllen. Das Safety Integrity Level bezieht sich auf die Zuverlässigkeit von Sicherheitsfunktionen – die Anforderungen an die einzelnen SILs definiert die Norm EN 61508. Je höher die Gefahr ist, die von einer Anlage ausgeht, desto höher sind auch die Anforderungen an deren funktionale Sicherheit und desto höher ist auch das Safety Integrity Level.

Effizienter Aufbau von funktional sicheren Schaltungen

Auf der Basis von Relais mit zwangsgeführten Kontakten lassen sich diese Schaltungen für SIL3- und SIL4-Applikationen mit deutlich weniger Aufwand realisieren als mit Halbleiterrelais – vorausgesetzt, die Schaltung ist korrekt ausgelegt. Die Kosteneinsparungen resultieren unter anderem aus den geringeren Stückkosten der Relais und dem geringeren Installationsaufwand, da hier keine Kühlkörper erforderlich sind. Gleichzeitig bieten die Sicherheitsrelais eine sehr hohe Absicherung gegen unerwünschte Bewegungen von Anlagenteilen im Fehlerfall.

Sicherheitsrelais von Hengstler sind im Bereich Bahntechnik in vielen Anwendungen zu finden. Sie werden nicht nur in Türsteuerungen und Bremssystemen von Schienenfahrzeugen eingesetzt, sondern auch zum Monitoring von Bahnübergängen oder im sogenannten „Totmannschalter“: Diesen muss der Triebfahrzeug- oder Lokführer regelmäßig betätigen. Tut er es nicht, wird der Zug automatisch sicher gestoppt.

Auch bei sogenannten Hauptsignalen werden Sicherheitsrelais von Hengstler häufig eingesetzt. Diese Signale zeigen dem Lokführer an, ob der vor ihm liegende Gleisabschnitt befahren werden darf oder ob er noch durch einen vorausfahrenden Zug blockiert ist. Das Hauptsignal wird vom zuständigen Stellwerk gesteuert und überwacht. Dies geschieht mittels mehrerer Sicherheitsrelais. Fährt ein Zug an einem roten Signal vorbei, überträgt automatisch eine am Signal befindliche Magnetspule diese Information auf die darauf abgestimmte Magnetspule auf der Lok.  Die Magnetspule auf der Lok aktiviert dann umgehend die Bremsen des Zuges und bringt ihn so zum Stillstand.

Sicherer Ausstieg garantiert

In Aufzügen werden Sicherheitsrelais hauptsächlich zur Steuerung der Türen verwendet. Sie sorgen dafür, dass die Passagiere erst aussteigen können, wenn die Kabine ihre sichere Endposition erreicht hat. Bei Aufzügen mit Komfortschaltung ist ein Ausstieg auch möglich, bevor der Aufzug steht: Die Relais mit zwangsgeführten Kontakten stellen hier sicher, dass die Türen nur in einer bestimmten Zone und nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit geöffnet werden können.

Aus unserem Alltag nicht wegzudenken

Sicherheitsrelais sind also in vielen Anwendungen eine sinnvolle Ergänzung von Halbleiterrelais. Darüber hinaus ermöglichen die Relais mit zwangsgeführten Kontakten gerade im Bereich der Bahn- und Aufzugstechnik den effizienten Aufbau von Sicherheitsschaltungen. Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zu unserer Mobilität – Tag für Tag und weltweit.

Der Artikel beruht auf Unterlagen von Hengstler.

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