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Leiterplattendesign

Relais mit zwangsgeführten Kontakten

1. August 2012, 13:18 Uhr | Von Markus Bichler

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Anmerkungen zur gewählten Gehäusebauform

Bei nahezu allen neuen Entwicklungen spielt der aufzuwendende Platzbedarf eine zentrale Rolle. Warum ist das so? Als beispielhafte Anwendung dient im Folgenden das Sicherheitsrelaismodul, um die Argumentationskette aufzuzeigen.

Die Module sollen kleiner werden, um im Schaltschrank weniger Platz zu verbrauchen und damit weniger Kosten zu verursachen. Schließlich soll der Schaltschrank möglichst kompakt ausfallen, denn ein kleinerer Schaltschrank ist günstiger in der Anschaffung und spart teure Produktionsfläche ein. Bauteile wie Relais, welche die Modulgröße maßgeblich beeinflussen, müssen daher ebenfalls in ihrer Größe optimiert werden, um die Realisierung kleinerer Module zu ermöglichen. Doch damit nicht genug, denn zusätzlich steigt die Funktionalität in den Modulen. Kunden fordern flexible Lösungen, welche sich oftmals nur mittels Mikroprozessor verwirklichen lassen. So sinkt der für die Relais vorhandene Platz durch eine Vielzahl zusätzlicher Bauelemente im Modul weiter. Bedenkt man nun, dass auch Leiterplattenfläche an sich teuer ist, wird schnell klar, welcher Druck seitens der Industrie auf den Relaisherstellern lastet, ihre Bauteile stetig weiter zu miniaturisieren.

Bei der Entwicklung der SF-Y Relaisfamilie stand diese Forderung als zentraler Punkt im Pflichtenheft. Folgende Möglichkeiten und ihre Vor- und Nachteile standen zur Diskussion:

- Kleineres Gehäuse durch kleinere Kontakte: Dieser Lösungsansatz macht nur Sinn, wenn das Schaltvermögen im Bereich von Signallasten liegen kann. Kleinere Kontakte bedeuten weniger Material und damit eine verminderte Wärmeleitfähigkeit des Kontaktsystems, womit etwa die Hitze von Lichtbögen beim Schaltvorgang einen deutlich höheren Kontaktverschleiß mit sich bringt und die Lebensdauer des Relais sinkt. Zusätzlich müssen Einbußen bei der Überlastfähigkeit hingenommen werden.

- Kleineres Gehäuse durch enger gepackte Pins: Betrachtet man ein klassisches Relais für die Sicherheitsrelaismodule, so verfügt es über 6 Kontakte mit je 2 Pins und eine Spule mit 2 Pins. Es gilt also, 14 Beinchen auf einer möglichst kompakten Fläche unterzubringen. Ein typisches Rastermaß von 2,54mm ist allerdings nicht möglich, denn in der Industrie ist häufig eine verstärkte Isolation zwischen den Kontaktsätzen sowie den Kontakten und der Spule gefordert. Um diese verstärkte Isolation zu erreichen, schreibt die Norm EN 60664-1 eine Luft- und Kriechstrecke von 5,5mm vor.

- Kleineres Gehäuse durch kleineren Antrieb: Eine Spezialität der flach bauenden SF-Relais von Panasonic ist das gepolte Drehankersystem als Antriebseinheit für die Kontakte. Gepolt bedeutet, dass ein Permanentmagnet im Antriebssystem eine magnetische Vorspannung erzeugt. Gegenüber einem ungepolten System kann der durch die Spule zu erzeugende elektromagnetische Fluss daher geringer ausfallen, um die benötigten hohen Kontaktkräfte zu erreichen. Somit ist auch ein geringerer Strom durch die Relaisspule notwendig und damit wird eine geringere Verlustleistung erzielt. Das SFN4D-Relais setzt hier mit 390 mW Nennleistung und lediglich 140 mW Halteleistung eine Bestmarke für ein sechspoliges Relais mit zwangsgeführten Kontakten. Neben der geringen Verlustleistung ist besonders die dadurch verminderte Wärmeentwicklung hervorzuheben, denn die Spulen der Relais tragen wesentlich zur Erwärmung des Gesamtsystems bei.

Als weitere Vorteile ergeben sich hohe identische Kontaktkräfte für Schließer sowie Öffner sowie die Temperaturkompensation der Ansteuerseite (Änderung des Spulenwiderstandes vs. Änderung der Eigenschaften des Dauermagneten).
Das angesprochene Drehankersystem addiert zwei weitere positive Eigenschaften zum Gesamtsystem. Durch den mittelpunktsgelagerten Anker st das Antriebsystem sehr unempfindlich gegen Schock und Vibration sowie der Einbaulage. Zudem erlaubt das System hohe Kontaktkräfte bei geringer Erregerleistung, da sich Dauer- und Erregerfluss in vier Kontaktspalten überlagern.
Betrachtet man die Summe der hervorragenden Eigenschaften des Drehankersystems, wird schnell klar, dass für eine ambitionierte Neuentwicklung wie dem SF-Y kein gewöhnlicher, einfacher Klappanker Verwendung finden darf. Ziel musste es daher sein, den Antrieb unter Beibehaltung seiner technischen Eigenschaften deutlich zu verkleinern. Das eindrucksvolle Resultat zeigt wiederum das Bild: Der Platzbedarf des neuen Antriebs konnte auf weniger als die Hälfte im Vergleich zum SFN4D reduziert werden. Lediglich die Spulenverlustleistung fällt mit nominal 670 mW etwas höher aus, was der deutlich kompakteren Spule mit reduzierter Windungszahl geschuldet ist. Betreibt man das SF-Y wie üblich mit etwa 60 % der Nennspannung, entweder durch Taktung oder Absenkung der Versorgungsspannung, so sinkt die Verlustleistung auf 241 mW.