Hybrid-Relais-Module von Phoenix Contact

E-Mech- und Solid-State-Relais kombiniert

7. April 2022, 18:37 Uhr | Florian Sawitzki
Lichtbogen beim Abschalten hoher DC-Spannungen mit einem Standardrelais deutlich außerhalb der Lastgrenzkurve
Lichtbogen beim Abschalten hoher DC-Spannungen mit einem Standardrelais deutlich außerhalb der Lastgrenzkurve
© Phoenix Contact

Elektromechanische und Solid-State-Relais haben jeweils spezifische Vor- und Nachteile. Die Koppelrelais-Familie „PLC-Interface“ von Phoenix Contact umfasst daher Relais beider Arten. Hybridmodule, die speziell für DC-Anwendungen entwickelt sind, kombinieren jetzt deren Vorteile.

Mit dem weltweit ersten 6,2 mm schmalen Interfacemodul für den Signalaustausch und einer steckbaren Schalteinheit setzte die Koppelrelais-Baureihe PLC-Interface 1997 einen neuen Marktstandard, der bis heute fortbesteht. Seitdem sind viele technische Weiterentwicklungen eingeflossen und neue Merkmale und Funktionen hinzugekommen. Neben zahlreichen Produkten für Standardanwendungen, in denen beispielsweise 24-V-Signale zwischen dem Feld und der Steuerung gekoppelt werden müssen, stehen Spezialvarianten für herausfordernde Aufgaben zur Verfügung. In Kombination mit dem Logikrelaissystem „PLC logic“ als Stand-Alone-Controller setzen die modularen Scheiben einfache Automatisierungsaufgaben auf kleinem Bauraum um.

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Generalisten zu einem günstigen Preis …

Bei elektromechanischen Relais handelt es sich um klassische, etablierte und unentbehrliche Komponenten der Automatisierungstechnik. Die Entwicklung der letzten Jahre zeigt, dass auch die elektronischen Solid-State-Relais eine immer größere Rolle spielen und ähnliche Zuwächse wie ihre mechanisch schaltenden Pendants verzeichnen. Die Interfacebausteine kommen in unterschiedlichen Applikationen zum Einsatz. Mit goldbeschichteten Kontakten lassen sich kleine Signale im unteren Milliampère-Bereich zuverlässig schalten. Relais mit Leistungskontakten übernehmen mittlere Ströme bis in den zweistelligen Ampère-Bereich.

Abgesehen von geringeren Kontaktwiderständen und den damit einhergehenden kleineren Verlusten hat die mechanische Lösung den Vorteil eines günstigeren Preises gegenüber Anwendungen mit Solid-State-Relais. Auf der Kontakt- oder Ausgangsseite sind elektromechanische Relais Generalisten: AC-, DC- und Mischspannungen lassen sich problemlos schalten, ohne dass eine Polung beachtet werden müsste. Um die Lebensdauer eines Kontaktsystems nicht zu sehr zu reduzieren, gilt es besonders bei DC-Applikationen, die Vorgaben zur Senkung der Schaltleistung in Form der Lastgrenzkurve zu berücksichtigen und möglichst eine geeignete Kontaktschutzbeschaltung zu verwenden.

… aber mit einer kürzeren Lebensdauer

Elektromechanische Relais haben allerdings nicht nur Vorteile gegenüber den elektronischen Lösungen. Zunächst führt der mechanische Aufbau zu einer höheren Anfälligkeit für Abnutzung: Wo sich Teile bewegen, entsteht stets Verschleiß. Je nach Last kann der Ein- oder Ausschaltvorgang eine Herausforderung für das Kontaktsystem darstellen. Ein maßgeblicher Faktor für eine schnellere Alterung von Kontaktoberflächen ist der Lichtbogen, der unter anderem Kontaktverschweißer begünstigt. Solche Phänomene können unerwünschte Fehler und somit Stillstandzeiten in der Applikation nach sich ziehen.

Beim Schließen eines elektrischen Kontakts stoßen die Kontaktoberflächen zusammen. Durch das elastische Zurückprellen öffnet und schließt sich der Kontakt mehrfach unerwünscht (Kontaktprellen). Die wiederholte Kontaktgabe bedeutet mehrmaliges Ein- und Ausschalten eines Stroms. Besonders die Einschaltströme kapazitiver Verbraucher, die um ein Vielfaches höher als ihr eigentlicher Nennstrom liegen, werden so gleich mehrfach geschaltet. All das macht sich bei der Lebensdauer negativ bemerkbar. Zur Vermeidung von Stillstandzeiten müssen die Relais öfter getauscht werden, was einen höheren Personaleinsatz erfordert.

Spezialisten für langfristig hohe Schaltfrequenzen

Im Vergleich zur mechanischen Variante haben Solid-State-Relais ein- und ausgangsseitig immer eine eindeutige Polung und lassen sich entweder für zu schaltende DC- oder AC-Spannungen nutzen. Sie sind also nicht universell verwendbar. Sind für eine reine Signalübertragung über lange Zeit folglich hohe Schaltfrequenzen gefragt, empfiehlt sich ein Solid-State-Relais. Weil der Stromkreis nicht durch bewegliche Teile, sondern rein elektronisch geschlossen wird, spielen Kontaktprellen, Lichtbögen und eine damit einhergehende kürzere Lebensdauer keine Rolle. Die schaltenden Halbleiter können die bereits angesprochenen Einschaltstromstöße wegen ihrer kurzen Überlastfähigkeit unbeschadet überstehen. Andererseits erweisen sich die höheren Verluste im durchgeschalteten Zustand und ein daraus resultierendes Derating als Nachteil. Bei elektronischen Lösungen limitiert dies den maximalen Stromfluss in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur stärker, als es bei Relaiskontakten der Fall ist.

Welches Schaltkonzept ist nun das überlegene? Es wird deutlich, dass die Vor- und Nachteile beider Lösungen zum Schalten einer Last je nach Applikation sorgfältig abgewogen werden müssen. Beide Varianten ergänzen sich jedoch in zahlreichen Punkten gut. Die technischen Nachteile des einen werden durch die Vorteile des anderen Systems ausgeglichen und umgekehrt. Somit bietet sich eine sinnvolle Kombination aus elektromechanischem und rein elektrischem Schalten an. Je nach Art der Last lässt der Ein- und Ausschaltmoment die Relaiskontakte in vielen Applikationen frühzeitig altern. Besonders bei DC-Anwendungen kommen stehende Lichtbögen vor, weil im Gegensatz zu AC-Spannungen kein automatisches Verlöschen durch einen Nulldurchgang der Spannung erfolgt.

Ein- und Ausschalten nach einem festgelegten Muster

DC-Hybridmodule der Serie PLC-Interface von Phoenix Contact
Über ein durchgängiges Gehäusekonzept verfügen die DC-Hybridmodule der Serie PLC-Interface von Phoenix Contact.
© Phoenix Contact

Ein hybrides Schaltungskonzept aus Relais und Halbleiter eröffnet neue Möglichkeiten: Beide Schaltelemente lassen sich in einer parallelen Verschaltung unabhängig voneinander aktivieren. Dabei kommt es auf ein optimales zeitliches Zusammenspiel bei der Aktivierung und Deaktivierung an. Die Schaltelemente werden dazu nach einem festgelegten Muster abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Die Koordination übernimmt ein Controller mit entsprechender Firmware.

Die Produktfamilie PLC-Interface von Phoenix Contact verfügt schon seit einigen Jahren über eine Hybridschaltung speziell für AC-Lasten. In der Lösung agieren der Relaiskontakt und ein Triac zeitlich versetzt voneinander und können so ihre individuellen Stärken ausspielen: Die Hybridgeräte werden im ersten Schritt an eine permanente 24-V-DC-Versorgung angeschlossen. Ein weiteres Eingangssteuersignal aktiviert dann das Modul. Im Einschaltmoment ist zunächst nur der Halbleiter beteiligt, sodass problematische Einschaltströme lediglich über seine Strecke fließen. Die Last wird versorgt. Der Relaiskontakt ist nicht involviert, sondern befindet sich zunächst in Ruhelage. Nach kurzer Zeit sind Einschaltströme erfahrungsgemäß abgeklungen, und die Spannung über dem voll durchgeschalteten Halbleiter hat ihr Minimum erreicht. Der parallel zum Halbleiter liegende Schaltkontakt wird erst dann geschlossen und übernimmt einen Teillaststrom, dies jedoch bei kleiner Spannung. Sobald der Kontakt nach der Prellphase sicher geschlossen ist, wird der Halbleiterpfad deaktiviert.

Schaltspielzahl des Relais als begrenzende Größe

Der niederohmige Relaiskontakt reduziert so die anfallende Verlustleistung. Soll die Last abgeschaltet werden, ist die Spannung am Steuereingang wie üblich wegzunehmen. Würde das Relais jetzt sofort öffnen, entstünde bei einer AC-Spannung abhängig von Höhe und Phasenwinkel ein Lichtbogen, der jedoch spätestens beim nächsten Nulldurchgang selbstständig verlischt. Solch längerfristig wiederkehrende Ereignisse beeinträchtigen die Lebensdauer des Relais. Bevor es daher in den Ruhezustand zurückkehrt, wird zunächst der Halbleiter wieder eingeschaltet. Beide Pfade sind also wieder aktiv. Erst dann öffnet der elektromechanische Kontakt. Weil die Spannung über dem Kontakt durch den parallelen niederohmigen Halbleiter bestimmt wird, können sich keine Lichtbögen bilden. Kurze Zeit später schaltet sich der Halbleiter ebenfalls ab, die Last ist von der Versorgung getrennt.

Durch dieses Schaltkonzept verlängert sich die Lebensdauer des hybriden Systems deutlich. Nunmehr fungiert die maximale mechanische Schaltspielzahl des Relais, die zwischen 20 und 30 Millionen Zyklen liegt, als begrenzende Größe.

Herausforderung durch fehlenden Nulldurchgang bei der Spannung

Beim Schalten von Gleichspannungen (DC) ergeben sich ungleich höhere Anforderungen an Schaltgeräte. Die Herausforderung bei DC resultiert aus dem fehlenden Nulldurchgang der Spannung. Wird ein zuvor geschlossener Kontakt geöffnet, entsteht ein Lichtbogen. Ist das Wertepaar aus Spannung und Strom ausreichend groß, wird die wenige zehntel Millimeter kurze Luftstrecke durch einen stehenden Lichtbogen überbrückt. Mehrere solcher Vorgänge oder selbst ein einzelnes Ereignis bedeuten zwangsläufig ein schnelleres Ableben des Kontakts.

Sollen Lasten an DC-Spannungsversorgungen geschaltet werden, die oberhalb der Lastgrenzkurve eines Standardrelais liegen, muss sich der Anwender auf die Suche nach einer adäquaten Lösung machen. Existierende Relais für derartige Anwendungsfälle brauchen immer viel Platz auf der Hutschiene. Häufig sind in einem solchen Relais zwei Schließer in Reihe geschaltet, um in Summe einen größeren Gesamtluftspalt zu realisieren, sodass der Lichtbogen abreißt. Außerdem werden Blasmagneten eingesetzt, die den Lichtbogen mit ihrem Permanentmagnetfeld aus der Kontaktzone herausdrängen und so zu einer Verbesserung des Abschaltvermögens beitragen. Die Baubreite entsprechender Relais beträgt bis zu 40 mm, mit Sockel ist noch mehr Platz nötig. Bei höheren Spannungen von beispielsweise 220 V DC und ohmscher Belastung lässt sich erfahrungsgemäß eine Lebensdauer erreichen, die mehrere Zehnerpotenzen unter der eines Hybridkonzepts liegt.

Sei es das Ein- und Ausschalten von DC/DC-Wandlern, Stromversorgungen an Gleichspannungsnetzen oder Batteriespannungen: Das Problem mit Lichtbögen zeigt sich in unterschiedlichen Applikationen ähnlich. Jeder Millimeter auf der DIN-Schiene kostet Geld. Daher haben die Entwickler das bewährte Schaltungskonzept in AC-Hybridmodulen für DC-Zwecke weitergedacht. Die zentrale Rolle für das sichere Schalten spielt hierbei ein für diese Anwendung geeigneter Halbleiter, der ebenso parallel zum Relaiskontakt geschaltet ist. Das Prinzip der Zu- und Abschaltung beider Pfade wird wie bereits beschrieben koordiniert.

Schutzbeschaltung an der Last

DC-Hybridmodule der Serie PLC-Interface von Phoenix Contact
Schmal gebaut sind die DC-Hybridmodule der Serie PLC-Interface von Phoenix Contact.
© Phoenix Contact

Die Nutzung der Hybridtechnologie ermöglicht nun eine Schaltleistung von 220 V DC bei 10 A auf einer Baubreite von nur 14 mm. Bei weniger als der halben Baubreite konventioneller Lösungen verlängert sich die Lebensdauer sogar deutlich. In Einzelanordnung können die Geräte, die mit einer Taktrate von 1 Hz betrieben werden, den Strom bis 60 °C Umgebungstemperatur schalten und führen. In einer Verbundanordnung ist ab 40 °C und 100 Prozent Einschaltdauer ein lineares Derating von -0,3 A/K zu berücksichtigen. Mit lediglich einem Halbleiter ohne parallelem Relaiskontakt wäre wegen der permanent entstehenden Verlustleistung ein weitaus größeres Derating erforderlich.

Die Zuverlässigkeit des Systems ist in umfassenden Labortests mit verschiedenen Lasten verifiziert worden. Dennoch sollte nicht an einer zusätzlichen Schutzbeschaltung an der Last gespart werden – etwa beim Abschalten von mittleren und starken induktiven Lasten an Gleichspannung. Wird die magnetisch gespeicherte Energie der Spule nicht kontrolliert über eine entsprechende Schutzbeschaltung – etwa eine Freilaufdiode, eine Suppressordiode oder einen Varistor – umgewandelt, bildet sich eine teilweise hohe Selbstinduktionsspannung. Kommt keine Freilaufdiode zum Einsatz, sondern beispielsweise ein Varistor, muss dessen Schutzpegel sowohl auf die Betriebsdaten der Last als auch auf die entstehende Selbstinduktionsspannung ausgelegt werden. So lassen sich auch größere Energien sicher und kontrolliert abbauen.

Insgesamt sind Hybridlösungen den rein elektromechanischen und elektrischen Ansätzen in puncto Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Schaltvermögen und Platzbedarf überlegen. Sie können ihre technischen Vorteile in Applikationen ausspielen, in denen die Verfügbarkeit hohe Priorität hat und Stillstandzeiten unbedingt vermieden werden müssen. Als typische Anwendungsgebiete für die Hybridgeräte seien Kraftwerke, die Prozesstechnik und Windenergieanlagen genannt. Die speziell für DC-Anwendungen konzipierten Relais erweitern das PLC-Interface-Portfolio der Hybridrelais somit sinnvoll.

Reduzierung des Verdrahtungsaufwands

Wie alle anderen Produkte der Baureihe PLC-Interface haben die Hybridlösungen ein durchgängiges Gehäusekonzept. Das vereinfacht die Installation und ermöglicht die Nutzung des vorhandenen Zubehörs wie Endlossteckbrücken, Einspeiseklemmen, Abteilungstrennplatten oder Markierungsmaterialien, was wiederum den Verdrahtungsaufwand reduziert. Die PT-Anschlusstechnik ermöglicht beispielsweise den Einsatz massiver und flexibler Leiter mit einer Aderendhülse ab einem Anschlussquerschnitt von 0,34 qmm.

Florian Sawitzki ist Leiter Produktmarketing Relay and Interface Components bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.


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