Sicherheitselais mit zwangsgeführten Kontakten Kein Zacken aus der Krone

In sicherheitskritischen Anwendungen kommen Relais zum Einsatz, die über zwangsgeführte Kontakte verfügen. Ihre Konstruktion erlaubt das sichere Erkennen von Fehlerzuständen, doch...

Sicherheitselais mit zwangsgeführten Kontakten

In sicherheitskritischen Anwendungen kommen Relais zum Einsatz, die über zwangsgeführte Kontakte verfügen. Ihre Konstruktion erlaubt das sichere Erkennen von Fehlerzuständen, doch die Funktionstüchtigkeit der Bauelemente über viele Jahre zu gewährleisten kann vor allem bei kleinen Kontaktströmen kritisch sein – hier sind konstruktive Kniffe wie die »Zackenkronen«-Kontakte gefragt.

Vorweihnachtliches Gedränge im Kaufhaus. Immer mehr Menschen strömen hinein und schließlich passiert es: Eine prall gefüllte Einkaufstüte verklemmt sich in der Glasdrehtür am Eingang und die Sicherheitsabschaltung der Türsteuerung löst aus, bevor Schaden an Waren oder sogar Menschen entstehen kann. Im ersten Moment ist jeder froh, dass nicht passiert ist, die Tüte wird aus dem Gefahrenbereich gezerrt. Ungemütlich wird die Situation jedoch, wenn die Tür jetzt nicht gleich wieder anläuft. Führt ein Versagen der Technik dazu, dass Kunden über längere Zeit in der Drehtür gefangen sind, dann wird sich der Hersteller des Türsystems mit Sicherheit einige kritische Fragen gefallen lassen müssen.

In Sicherheitsanwendungen wie der genannten Drehtürsteuerung kommen meist Sicherheitsrelais mit zwangsgeführten Kontakten zum Einsatz. Weitere Anwendungsgebiete dieser Bauteile sind z.B. Produktionsanlagen oder die Bahntechnik. Durch ihre besondere Konstruktion (siehe letzte Seite) erlaubt dieser Relaistyp das sichere Erkennen fehlerhafter Zustände. Den Fehlerfall signalisiert das Relais also zuverlässig unter allen Betriebsbedingungen, doch wie sieht es mit der Verfügbarkeit des Bauteils bzw. der Anlage aus? Wie lassen sich unbegründete Fehlabschaltungen vermeiden und wie lässt sich vor allem eine zuverlässige Rückkehr in den Normalbetrieb sicherstellen, auch wenn das Schaltgerät oder die Steuerung nicht immer innerhalb der Spezifikation betrieben wird?

Selbst der beste Entwickler kann die Einhaltung der Spezifikation über die gesamte Lebensdauer der Anwendung nicht garantieren. So kann in der Realität zum Beispiel eine Klimaanlage ausfallen, das ganze Gerät bzw. die ganze Anlage wird nach einiger Zeit vom kühlen Mitteleuropa ins heiße Afrika exportiert, oder der klimatisierte Schaltschrank in einer sehr schmutzbelasteten Umgebung steht dann doch mal versehentlich offen. Veränderte Rahmenbedingungen wie diese lassen sich bei der Entwicklung unmöglich alle voraussehen. Ein Sicherheitsschaltgerät sollte also auch dann funktionieren, wenn die Grenzen der Spezifikation einmal überschritten werden. Es darf nichts passieren, und zwar muss nicht nur die eigentliche Sicherheitsfunktion unbedingt gewährleistet sein – also z.B. das Abschalten einer Maschine im Fehlerfall zum Schutz von Menschen oder Gerät – sondern nach Möglichkeit auch die Verfügbarkeit der Anwendung. Die Schaltung soll also nach Beseitigung der Störung problemlos wieder anlaufen, ohne dass z.B. das Relais einen Fehlerfall anzeigt, der gar nicht vorhanden ist.

Relais mit zwangsgeführten Kontakten nach EN 50205 (umgangssprachlich oft als Sicherheitsrelais bezeichnet) kommen vorwiegend in Steuerungen für sicherheitsgerichtete Aufgaben (Schutz von Gesundheit, Leben und Umwelt, Absicherung komplexer Prozesse und Investitionsgüter) zum Einsatz. Ein zwangsgeführter Kontakt besteht aus mindestens einem Öffner und mindestens einem Schließer mit einer mechanischen Vorrichtung, die verhindert, dass Öffner und Schließer gleichzeitig geschlossen sein können. Diese Anforderung gilt insbesondere bei einem gestörten Zustand (Fehlerzustand), verursacht z.B. durch Öffnungsversagen beim Verschweißen eines Ausgangskontaktpaars, für die gesamte Lebensdauer. Beim Auftreten dieses Fehlers muss der jeweilige »antivalente« (gegenläufige) Kontakt eine Mindestöffnung von 0,5 mm haben bzw. mindestens 2 x 0,3 mm bei Brückenkontakten.

In der Bildserie ist die Funktion der Zwangsführung anhand eines Öffnungsversagens bei einem Klappankerrelais erläutert. Bild a zeigt das Relais in Ruhestellung, die beiden Schließer sind geöffnet und der Öffner ist geschlossen. Nach Ende des Einschaltvorgangs ergibt sich der stabile Zustand mit erregter Spule (Bild b). Beide Schließer sind jetzt geschlossen, der Öffner ist geöffnet. Bild c zeigt den Fehlerfall Öffnungsversagen nach dem Abschalten der Erregerspannung an der Spule: Der mittlere Kontakt (Schließer) ist verschweißt. Über den Betätiger (roter Steg im Bild) sind die Kontaktfedern so miteinander verbunden, dass der Öffner (als Rückmelde- bzw. Monitoringkontakt) nicht in seine Ausgangsstellung zurückkehren und somit den Rückführkreis nicht schließen kann – der Fehler ist erkannt. Ohne zwangsgeführte Kontakte wären in diesem Fehlerfall Öffner und Schließer gleichzeitig geschlossen. Beim zweiten Schließer ist die Schaltstellung indifferent, da die Kontakte im Beispiel nicht definiert öffnen.

Siehe auch:

Das Bauteil der unbegrenzten Möglichkeiten?

Als Weiterentwicklung hat der Hersteller Elesta relays eine eigene, ungewöhnliche Kontaktform entwickelt. Dieser »Zackenkronenkontakt« erweitert den Doppelkontakteffekt des Kronenkontaktes um die von den Schneidenkontakten bekannte höhere Flächenpressung. Dafür wird die nach innen einfallende ringförmige Prägung (Krone) auf dem Kontaktniet mit Nuten durchstoßen – die Zackenkrone entsteht (Bild 2 links) und mit ihr viele kleine, keilförmige Kontaktstellen. Diese Zackenkrone schaltet gegen einen Einfachkontakt (Bild 2 rechts), und zwölf bis 15 der keilförmigen Kontaktstellen stellen dabei auf dem Flachkontakt die Verbindung her, wie in Bild 2 (rechts) deutlich zu sehen ist. Somit ist die Kontaktgabe von zwei möglichen Kontaktstellen auf mindestens zwölf erhöht, wodurch auch die Verfügbarkeit des Bauteils bei Anwendungen mit niedrigen Strömen deutlich ansteigt. Dem Hersteller gelang es, diese Weiterentwicklung für den Anwender vollkommen kostenneutral zu gestalten, da weder teuere Goldauflagen noch irgendwelche aufwändigen Änderungskonstruktionen zu amortisieren sind. Goldauflagen schützen ohnehin nur gegen korrosive Belegung, und auch dies nur dann, solange die Schicht nicht elektrisch oder mechanisch beschädigt wird.