Schalten ohne Schaden

Industrieelektronik

Relais – Beim Schalten von Gleichstrom mit Relais entstehen stets Lichtbögen. Mit einem Blasmagneten im Kontaktbereich lassen sich jedoch nahezu zehnfach höhere Stromstärken sicher schalten. Zugleich verlängert sich so die Lebensdauer des Relais deutlich.

18. August 2015

Eine nahezu unerlässliche Komponente jeder elektrischen Einrichtung ist ein System zum Trennen und Verbinden des elektrischen Stroms. Beim Schalten von Gleichströmen bieten elektronische Systeme auf Halbleiterbasis dabei den Vorteil einer annähernd unbegrenzten Lebensdauer, allerdings sind sie relativ teuer, besitzen keine galvanische Trennung und eignen sich zudem nur begrenzt für höhere Spannungen. Zugleich verursachen stärkere Ströme Verlustwärme, die durch zusätzliche Kühlsysteme abgeführt werden muss. Zum Schalten höherer Spannungen und Ströme kommen deshalb meist Leistungsrelais zum Einsatz, mit denen sich der Stromfluss über bewegliche Kontakte mechanisch trennen und verbinden lässt.

Unvermeidlich beim Schalten von Strömen ist die Entstehung von Schaltfunken und Lichtbögen, die das Schaltverhalten, die Zuverlässigkeit und die mögliche Gebrauchsdauer eines Schaltgerätes meist negativ beeinflussen. Bei kleinen Strömen kommt es dabei lediglich zu einem kurzen Abreißfunken, auch Schaltfunken genannt, der schnell zusammenbricht, weil die Energie des elektromagnetischen Feldes schnell abnimmt. Bei einem Strom ab etwa 1Ampere entsteht jedoch ein Lichtbogen, analog zum Elektroschweißen, mit Temperaturen von einigen 1.000 Grad Celsius, bei dem die Umgebungsluft durch Ionisierung leitfähig wird und das Kontaktmaterial verdampft, was die Lebensdauer des Relais verkürzt. Zudem entsteht durch einen Lichtbogen häufig auch Brandgefahr.

Gefährlicher Gleichstrom

Zum Löschen eines Lichtbogens gibt es mehrere Möglichkeiten. So genügt bei geringen Lichtbogenströmen dazu schon die Kühlung durch die umgebende Luft. Beim Schalten von Wechselstromlasten erlischt der Lichtbogen zudem meist im Nulldurchgang des sinusförmigen Verlaufs der Spannung. Beim Schalten höherer Gleichstromlasten dagegen führt der gleichgerichtete Lichtbogenstrom zu einer einseitigen Wanderung des Kontaktmaterials, sodass der Lichtbogen nur sehr langsam erlischt. Mit stärkeren Funken ist dabei vor allem beim Schalten induktiver DC-Lasten zu rechnen, wie beispielweise Motoren oder Ventile, weil hier beim Öffnen des Relaiskontakts die aufgrund der Gegen-EMK in der Induktivität gespeicherte Energie freigesetzt wird. Diese Energie muss deshalb im Lichtbogen in Wärme umgewandelt werden, was die Brenndauer des Lichtbogens verlängert.

Vorteile bieten hier Relais mit einem sogenannten Blasmagneten im Kontaktbereich, dessen Magnetfeldlinien quer zur Stromflussrichtung zwischen den Kontakten verlaufen. Die entstehende Lorentzkraft lenkt dann die Fußpunkte des Lichtbogens aus dem Raum zwischen den Kontaktnieten nach außen auf den Kontaktträger und vergrößert so seine Oberfläche. Als Folge wird der Lichtbogen schneller gekühlt und die ionisierte Luft verliert ihre Leitfähigkeit, sodass der Lichtbogen früher erlischt und sich auch höhere Gleichströme zuverlässig schalten lassen.

Vergleichstests mit gleichartigen Relais ohne Blasmagnet zeigen, dass sich durch den Blasmagnet nahezu zehnfach stärkere Gleichströme sicher schalten lassen. Der reduzierte Kontaktabbrand führt zugleich zu deutlich verlängerten Wartungsintervallen. So ermöglicht ein Relais mit einem Schließer ohne Blasmagnet bei einer DC-Last von 0,7 Ampere (bei 220 Volt) bis zu seinem Lebensdauerende rund 100.000 Schaltvorgänge. Ein Relais mit Blasmagnet dagegen erreicht die gleiche Anzahl von Schaltungen erst bei einer DC-Last von sechs Ampere. Bei Relais mit zwei Kontakten in Serie betragen die entsprechenden Werte 1 Ampere ohne Blasmagnet und etwa 10 Ampere mit Blasmagnet.

Flexible Montage

Langjährig bewährt für die Schaltung von hohen AC-Lasten bis 16 Ampere hat sich die Baureihe 62 des europäischen Relaisspezialisten Finder mit Deutschlandsitz in Trebur, die sich für Umgebungstemperaturen bis +70 Grad Celsius eignen. Die verschiedenen Modelle der Baureihe eignen sich für die Montage direkt auf die Leiterplatte sowie für Steck- und Leiterplattenfassungen und sind für alle gängigen AC- und DC-Steuerspannungen erhältlich. Die Versionen mit Blasmagnet im Kontaktbereich ermöglichen dabei neue wirtschaftlich überzeugende Gerätekonzepte, die sich bisher nur mit teuren Halbleiterschaltern oder mit deutlich größeren Schützen realisieren ließen.

Anwendungsgebiete finden die Relais vorzugsweise beim Schalten von leistungsstarken DC-Antrieben bis 220 Volt im mobilen und stationärem Einsatz, etwa in der Entsorgungstechnik, im Maschinenbau oder der Hebe- und Positionier-Technik. Andere Einsatzfelder bieten beispielsweise die Energierückspeisung bei bremsenden Antrieben, Photovoltaik-Systeme, Wechselrichter, die Energiespeichertechnik, die Galvanik oder batteriegespeiste DC-Notstromschalteinrichtungen. Dazu kommt die Schaltung großer ohmscher DC-Lasten oder Anwendungen, bei denen die Abschaltung von DC-Lasten nicht durch eine Freilaufdiode verzögert werden sollen.bt

Auf einen Blick

- Die Finder S.p.A mit Hauptsitz in Almese bei Turin ist ein führender Hersteller von Schalt-, Zeit- und Überwachungsrelais.

- Das Portfolio des 1954 gegründeten Unternehmens umfasst mehr als 10.000 unterschiedliche Produkte.

Erschienen in Ausgabe: 06/2015