Schalten und sparen

Industrieelektronik

Relais – Die primäre Aufgabe eines Relais ist es, Lasten sicher zu schalten. Beim Einsatz in Nutzfahrzeugen und mobilen Maschinen hilft die Wahl des richtigen Relais zugleich, Energie zu sparen.von Michael Mack

11. April 2012

Üblicherweise benötigt ein herkömmliches elektromagnetisches Relais (EMR) mit einem Nennstrom bis zu 50 Ampere einen permanenten Haltestrom von 130 Milliampere. Ein gängiges elektronisches Relais dagegen braucht einen Steuerstrom von lediglich fünf Milliampere. Bei einem 24-Volt-Bordnetz führt diese Stromdifferenz pro Relais zu einer Energieeinsparung von drei Watt. Wird auch noch berücksichtigt, dass der Wirkungsgrad eines Dieselmotors bei 40, der einer Lichtmaschine bei 50 und somit der Gesamtwirkungsgrad bei der Bordstromversorgung bei 20 Prozent liegt, heißt das: Für die drei Watt zusätzliche Ansteuerleistung des EMR muss das Energieäquivalent von 15 Watt verbrannt werden.

Auch wenn das nach wenig klingt: Unter der Annahme, dass in einem Fahrzeug zehn Relais verbaut sind, lässt sich am Ende eine Einsparung von mehr als 30 Liter Dieselkraftstoff pro Fahrzeug und Jahr ermitteln. Bei den Kohlendioxydemissionen bedeutet das ein Minus von gut 80 Kilogramm pro Jahr.

Die Energieeinsparung ist aber nur eine Seite bei der Wahl des geeigneten Relais. Insbesondere beim Einsatz in Baumaschinen sind die Komponenten im Bordnetz erheblichen Schocks und Vibrationen ausgesetzt, die Werte bis zum 50-Fachen der Erdbeschleunigung erreichen können. Weil Halbleiterrelais keine bewegten Teile besitzen, schließt das unerwünschte Schaltungen auch bei Schocks und Vibrationen aus.

Den Einsatz in Nutzfahrzeugen begünstigt ferner das häufige Schalten induktiver Verbraucher wie Lampen oder Motoren. Hier gilt: Das limitierende Element eines elektromagnetischen Relais ist die elektrische Lebensdauer, die hauptsächlich von der geschalteten Last abhängt.

Ein wichtiger Aspekt beim Einsatz eines EMR in mobilen Maschinen und Nutzfahrzeugen sind auch Staubpartikel, die in das Gehäuse eindringen und sich auf und zwischen die Kontakte legen und so den Ausfall des Relais verursachen. Dagegen ist beim Einsatz von elektronischen Relais deren Lebensdauer theoretisch unbegrenzt.

Außerdem ist die Eigenstromaufnahme eines Elektronikrelais bei ausgeschalteter Last im Stand-by-Betrieb mit typischerweise 50 Mikroampere sehr gering. Natürlich liegt auch bei einem bistabilen Relais die Leistungsaufnahme bei nahezu null, doch sind bistabile Relais aufgrund ihres undefinierten Zustands in vielen Anwendungen nicht zugelassen, wogegen ein Halbleiterrelais immer in einen definierten Zustand zurückfällt.

Vorteile bieten elektronische Relais auch bei der Montage: Gewöhnlich werden Relais in Sicherungskästen oder Schaltschränken verbaut und am Fahrzeug so platziert, dass sie gut erreichbar sind. Häufig wird ein Relais jedoch direkt bei der zu schaltenden Last angebracht, um die Versorgungsleitungen kurz und den Spannungsabfall gering zu halten. Dabei kann es sich um sehr unzugängliche Stellen handeln, was den Service problematisch macht. Auch hier bietet sich der Einsatz von elektronischen Relais an. Weil keine Einbaulage vorgeschrieben ist, bieten sie hohe Flexibilität bei der Positionierung an Nutzfahrzeugen und mobilen Maschinen.

Schutz und Diagnose inklusive

Ein weiterer positiver Aspekt des Elektronikrelais ist die integrierbare Schutzfunktion gegen Überlast. Hier schaltet der Strom bei zumeist 1,3-fachem Nennstrom ab – jedoch erst nach einer Zeitspanne von typischerweise 200 Millisekunden wegen der sehr hohen Einschaltströme, die sich aber nach besagter Zeitspanne in der Regel wieder auf Normalniveau einpendeln. Hier verbirgt sich ein weiterer Vorteil dieser kombinierten Relais- und Sicherungsfunktion: Die elektronische Schutzfunktion lässt sich präzise gemäß der Kennlinie aufrechterhalten, sodass das Kabel stets sicher geschützt ist – und das auch bei höheren Temperaturen. Optional möglich ist außerdem auch die Rückmeldung des elektronischen Relais über seinen aktuellen Zustand. Das kann zum einen über zwei LED-Signalelemente am Relais geschehen oder über zwei Signalausgänge, die die Information an ein Steuerungssystem, an den Bordrechner oder an eine LED in der Fahrerkabine weitergeben.

Relais mit Funktionsintegration

Ein weiteres sehr hilfreiches Feature von elektronischen Relais ist der laststromproportionale Analogausgang, der sich in das Powermanagement des Gesamtsystems einbinden lässt. Somit lässt sich der aktuelle Stromwert der Last im System leicht weiterverarbeiten, um beispielsweise nachrangige Verbraucher zu regeln. Dazu kommt eine Drahtbruchüberwachung, die den Lastkreis auch im ausgeschalteten Zustand im Auge hat. Die elektronischen Relais, wie sie die ETA Elektrotechnische Apparate GmbH entwickelt, können also weit mehr als schalten: Zu ihren Kernfunktionen zählen gleichermaßen das Schützen und Überwachen. Und ganz nebenbei eliminiert ihr Einsatz auch noch mögliche Fehlerquellen, weil die integrierten Funktionen sonst nötige Steckverbindungen erübrigt.z

Auf einen Blick

-Elektronische Relais und Schutzschaltrelais von E-T-A sind ideal als elektronischer Ersatz für elektromechanische Schalt- und Steuerkomponenten für das sichere Schalten von Magnetventilen, speziell in pneumatischen oder hydraulischen Anlagen sowie in Fahrzeugen.

-Sie werden überall dort eingesetzt, wo sicheres Schalten und Schützen von ohmschen, induktiven oder Lampenlasten gefordert wird.

-Der integrierte Leitungsschutz sowie die Drahtbruchüberwachung des Lastkreises gewährleisten einen sicheren Betrieb.

-Der geringe Steuerstrom sowie die geringe Eigenstromaufnahme bei abgeschalteter Last helfen beim Energiesparen.

-Der robuste Aufbau ohne bewegte mechanische Teile erlaubt Einsätze unter rauen Bedingungen und ermöglicht eine flexible Montage.

Erschienen in Ausgabe: 01/2012