Relaistechnik Weniger Spulenverluste

Es gibt viele Gründe, die Verlustleistung der Ansteuerspulen von Relais zu senken. Neben der Energieersparnis steigt die Verfügbarkeit des Relais, da mit sinkenden Spulenverlusten auch der thermische Stress abnimmt. Allgemein wird das Wärmemanagement einfacher, und auch bei den ansteuernden Netzgeräten lässt sich sparen.

Bistabile Systeme gelten als Königsweg, um die Verlustleistung in den Ansteuerspulen von Relais zu minimieren. Weil diese Bauteile nur für den Umschaltvorgang Strom brauchen, der Schaltzustand nach Entfernen der Spulenspannung jedoch erhalten bleibt, haben bistabile Systeme eine Verlustleistung von nahezu null Watt. Allerdings ist es sowohl aus ökonomischen als auch aus sicherheitstechnischen Gesichtspunkten oftmals nicht möglich, solche bistabilen Systeme zu verwenden.

Hier bieten sich monostabile Systeme als preiswerte Alternative an. Sie gewähren eine definierte Lage der Kontakte durch Federrückstellkräfte, wenn die Betriebsspannung ab- oder ausfällt.

Spule getaktet ansteuern

Je nach Ausführung beträgt die typische Verlustleistung, die für den Einschaltvorgang von Leistungsrelais in die Arbeitsstellung nötig ist, zwischen 170 mW und 2 W. Ist der Schaltvorgang beendet, lässt sich das Relais als geschlossenes Magnetsystem betrachten, das diese Antriebsenergie nicht mehr in voller Höhe benötigt. Die Spulenspannung und der Spulenstrom können nach dem Schaltvorgang auf ca. 50% der Spulen-Nennspannung (25% der Nennspulenleistung nach der Formel P=U²/R) abgesenkt werden, ohne dass die Systeme ihre Arbeitsstellung verlassen. Also wird die vom Steuernetzwerk zur Verfügung gestellte Energie dann nur noch zu etwa 25% für die Halteleistung benötigt und daher im Relais größtenteils in Verlustleistung umgesetzt.

Doch wie lassen sich Spulenspannung und Spulenstrom in der Arbeitsstellung reduzieren? Eine gängige Methode nutzt zuschaltbare Vorwiderstände, um die Gleichspannung abzusenken. Diese Methode verlagert jedoch nur einen Teil der Verlustleistung auf die Widerstände. Energetisch besser ist es, die Versorgungsspannung der Spulen zu takten. Schaltungstechnisch ist dies in der Regel relativ einfach umzusetzen, da in vielen Applikationen Mikrocontroller in Kombination mit Treibern als Steuerglieder zur Verfügung stehen.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die zu steuernde Spule mit einem Startimpuls anzusteuern, dessen Dauer ausreichend dimensioniert ist. Dieser Startimpuls ist notwendig, um den im Ruhezustand wirksamen Ankerluftspalt zu überwinden, also das Relais zum Anzug zu bringen. In der Praxis hat sich eine Startimpulsdauer von 100 ms bewährt - erst danach kann die Steuerschaltung die Spulen mit abgesenkter (also getakteter) Spannung ansteuern. Empfehlenswert ist ein Impuls/Pausen-Verhältnis von 60 zu 40 (was einem Effektivwert von 60% der Spulennennspannung entspricht) bei einer Taktfrequenz zwischen 1 kHz und 30 kHz.

Hierbei sollte der Entwickler darauf achten, Resonanzen - vor allem im hörbaren Frequenzbereich - zu vermeiden. Die Amplitude der getakteten Ansteuerung ist so zu wählen, dass im Mittel (Effektivwert) die Haltespannung des Relais anliegt. In der Praxis entspricht diese Haltespannung meist mindestens der halben Nennspannung. Auch der Betrieb der Spule mit einer höheren Impulsspannungs-Amplitude ist möglich, über das Impuls/Pausen-Verhältnis stellt der Entwickler dann den korrekten Effektivwert ein.

Das Oszillogramm in Bild 1 zeigt exemplarisch eine Steuervariante für ein Relais mit 6 V Nennspannung. Bei der hier dargestellten Ansteuerung ist als Amplitude 8 V eingestellt. Auf Kanal 1 (oben) ist das Ansteuersignal, auf Kanal 2 (unten) das Schalten des Arbeitskontaktes erkennbar. Aber die Amplituden von Spannung und Strom an der Relaisspule können auch wesentlich höhere Werte annehmen.

Ein Beispiel dafür zeigt der Stromlaufplan in Bild 2. Mit dieser Schaltung ist es zum Beispiel möglich, Relais mit hoher Impulsspannung beziehungsweise hohem Impulsstrom zu betreiben. Trotz der hohen Maximalspannung bewegt sich der Effektivwert der Spulenspannung auch mit dieser Schaltung im normalen Bereich. Für normale Relaisspulen stellt es kein Problem dar, den resultierenden hohen Impulsstrom aufzunehmen. Dabei hilft auch die Tatsache, dass die Induktivität der Relaisspule einen starken Stromanstieg verhindert (Integrationsverhalten einer Induktivität).

Die Isolation des Spulendrahts ist ebenfalls kein Problem, denn die Spannungsfestigkeit üblicher Spulendrähte beträgt etwa 400 V. Zudem wird die Impulsspannung durch die Spulenlagen weiter heruntergeteilt, pro Lage liegt also nur ein Bruchteil der Spannung am Spulendraht an.

Weil die Haltekräfte der Relaisspule durch das Absenken der Spulenleistung niedriger werden, könnte es Bedenken geben, dass dadurch die Schock- und Vibrationsfestigkeit der Relais stark leidet. Doch solche Bedenken sind für viele Applikationen unbegründet, in denen eine Schock- und Vibrationsbeeinflussung nicht relevant ist.

Tests an 5 mm breiten Relais der »PF«-Familie von Panasonic haben dies bestätigt (siehe Tabelle 1).

Spannung
 Muster 1
Muster 2
Muster 3
Muster 4
NO Schock 10 g
VBAT = 1,2 V
Taktgeber abgeschaltet - RAM aktiv
externen Interrupt, Pin-Änderung oder Watchdog-Timer
5 µA
 
100 % UnomOKOKOKOKOK
50 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
38 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
36 % UnomOKOKOKOKOK
33 % Unom
OK
OK
OK
OKOK
30 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
NO Schock 12 g     
100 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
50 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
44 % Unom
OK
OKOK
OK
OK
36 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
30 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
27 % Unom
f
f
OK
OK
f
25 % Unom
f
f
f
f
f
NO Schock 14 g     
100 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
50 % Unom
OK
OK
OK
OK
OK
33 % Unom
OK
f
OK
OK
f
30 % Unom
f
f
OK
OK
f
Tabelle 1: Schockfestigkeit von Relaiskontakten bei einem Halbsinuswellen-Impuls mit 11 ms Dauer, Auswertezeit 10 µs - bei 100% Spulenspannung (100% Unom) laut Datenblatt: min. 98 m/s2 = 10 g

Relais bleibt cool

Ein weiterer, wenn nicht gar der ausschlaggebende Punkt für die Absenkung der Spulenspannung ist eine niedrigere Eigenerwärmung von Relais. Von großer Bedeutung ist diese Eigenerwärmung vor allem dann, wenn das Relais in höheren Umgebungstemperaturen zum Einsatz kommt. Denn dann kann die Summe aus der Umgebungstemperatur plus der Eigenerwärmung des Relais dessen maximalen Einsatztemperaturbereich überschreiten.

Ein Beispiel ist der Einsatz von Relais in Ceran-Kochfeldern. Als begrenzender Faktor für die maximal zulässige Temperatur von Relais ist hauptsächlich die Isolationsklasse des Spulendrahtes zu nennen. Übliche Spulenisolationsklassen sind »B« (+130 °C) und »F« (+155 °C). Es ist leicht nachzuvollziehen, dass die innere Spulentemperatur bei hohen Umgebungstemperaturen plus der Eigenerwärmung des Relais diesen zulässigen Maximalwerten sehr nahe kommen kann.

Abhilfe schafft auch hier die Absenkung der Spulenspannung. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die erhöhte Umgebungstemperatur auch eine höhere Ansprechspannung der Spule mit sich bringt. Bild 3 zeigt den nötigen Korrekturfaktor der Ansprechspannung von Relais in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Wichtig für eine gleichbleibende Antriebsenergie einer Relaisspule ist, dass der Spulenstrom konstant gehalten wird.

Steuert man die Spulenwicklung mit einer konstanten Spannung an, so ist zu beachten, dass ihr Widerstand nicht konstant bleibt - denn Kupfer ist ein Kaltleiter mit einem Temperaturkoeffizienten von ungefähr 0,39% pro Kelvin. Diese Problematik lässt sich vermeiden, wenn man die Spule an einer Konstantstromquelle betreibt. Zu beachten gilt weiterhin, dass der Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen die Verfügbarkeit, also die Lebensdauer der Relais stark reduziert.

Das Diagramm im Bild 4 zeigt einen typischen Zusammenhang zwischen Umgebungstemperatur und Schaltspielen in Form von Reduktionsfaktoren. Ein zweiter Grund für die Verringerung der Eigenerwärmung durch Absenken der Spulenspannung ist, dass das Relais als Wärmequelle zu einer unzulässigen Erwärmung der Bauteile in der unmittelbaren Umgebung führen kann.

Ein Beispiel dafür ist der Einsatz von Relais in DIN-Schienengehäusen. Dort kann es durch die Relais zu übermäßiger Hitze im Gehäuse kommen, da der thermische Widerstand der Module und die hohe Packungsdichte einen ausreichenden Wärmeaustausch verhindern können. Nicht nur hier ist die Entwicklung immer effizienterer Relais in Kombination mit »intelligenter« Ansteuerung der Spulen also ein zukunftsweisender Schritt in der Relaistechnik.

Über den Autor:

Hagen Herbsleb ist General Manager im Bereich Product Management Power Relais & Technical Sales Support bei Panasonic Electric Works.