PANASONIC ELECTRIC WORKS (vormals Matsushita Electric Works):

Ein Kleinrelais, das hoch hinaus will...
Elektronisches Schaltrelais für 300A Einschaltstrom

Immer wieder eine Herausforderung: Schalten hoher Lasten bei kleiner Bauform im günstigen Preis-/Leistungs-Verhältnis.
In diesem Beitrag werden Möglichkeiten vorgestellt, welche die Präzision bistabiler Netzrelais bei der Entwicklung einer µController-gesteuerten Umgebung im Bereich der elektronischen Vorschaltgeräte bieten.
Das Prinzip, AC-Lasten im Nulldurchgang zu schalten, ist von elektronischen Lösungen, z.B. Solid-State-Relais, bekannt.


Elektromechanische Relais scheitern oft an der hohen Streuung der Ansprechzeiten. Betrachtet man den Magnetkreis und das mechanische System des Relais, gibt es systematische Fehler, wie z.B.:

  • Änderung des spezifischenWiderstands des Spulendrahts
  • Federkonstante derKontaktfedern
  • Magnetische Eigenschaften
  • Ansteuerspannung/ Stromstärke
  • Abbrand und Materialtransport an den Kontakten, Veränderungen der Abstands- und Kraft-Weg-Charakteristik

Die Korrektur ist näherungsweise mit einem µController beherrschbar, (Temperatursensor, Spannungsregelung). Probleme bereiten zufällige Fehler, die eine Voraussage der Übereinstimmung der Ansprechzeit mit dem Nulldurchgang begrenzen.
Das Spiel im Ankerlager, die dort und an den Kontakten angreifende Haftreibung, sowie die Gleitreibung kann man als wichtige Ursachen der Streuung identifizieren.

Simulationen an Feder-Masse-Schwingern unter Beachtung der Reibungsgrößen haben gezeigt,dass z.B. die Haftreibung den Start der Bewegung verzögert und dann zu Stoßbelastungen führt. Während dieser Stöße kann sich die Ankerlage aufgrund des Lagerspiels verändern.
Ein ungepoltes Netzrelais (8-16)A zeigt eine Streuung der Ansprechzeiten von (6,5 - 8,5) ms und Prellzeiten von 3ms im Rahmen der garantierten Toleranz.


Vorteile für gepolte mono- und bistabile Relais
Die Time-Set-Werte des bistabilen Netzrelais DE (8-16A) liegen bei 2,9ms mit einer Streuung von typisch (0,1 - 0,2) ms [max. 0,4ms]. Bei 100 aufeinander folgenden Messungen und trotz Spulenerwärmung ergab sich kein systematischer Fehler.
Praktisch kommt die Temperaturkompensation des gut abgestimmten Magnetwerkstoffs zur Wirkung, bei dem die Änderung der magnetischen Eigenschaften der Erhöhung des Spulenwiderstandes entgegenwirkt, so dass erst bei Temperaturen >40°C ein Sensor notwendig wird.
Die Prellzeit des gepolten Systems beträgt 0,3ms. Auch Messungen bei höheren Temperaturen ergeben keine signifikanten Veränderungen beim DE1a1b-L2-12V.

Gepolte Relais erreichen bei gleicher Baugröße höhere Kontaktkräfte, weil die Arbeit der Spule gegen die Differenz aus magnetischer Rückstellkraft und Federkraft zu leisten ist. Da die Anlaufbeschleunigung des Ankers beim gepolten System die volle Geschwindigkeit bereits beim halben Ankerweg erreicht, spielt die Haftreibung eine geringere Rolle. Die kleineren Federn und Massen des DE-Relais wirken sich ebenfalls günstig aus.



Das Bild unten zeigt den Einschaltstrom der Spule. Hier wird die zeitliche und energetische Differenz des Ankeranlaufes (halber Spulenwiderstand des ungepolten Relais) deutlich. Seine Abhängigkeiten von Kraft, Geschwindigkeit, Ankerweg und Kraftänderung zeigen den Grund für ein stärkeres Prellen des ungepolten Systems.

Trotz Steuerung über Bus oder Schalten via Internet sollte man nicht vergessen, dass ein Kontakt den Verbraucher schaltet. Hier zeigt sich, dass eine Verdrängung mechanischer durch elektronische Schaltgeräte schwierig erscheint. Zwar führt die rasante Entwicklung der Elektronik zu einer Vielfalt an Lösungen, der Einsatz bleibt – trotz ähnlicher Preisniveaus – auf einfache Installationen beschränkt.

Einschaltströme sind um ein Vielfaches höher als Dauerströme. Bei einer Beleuchtungsanlage mit 10 x 100VA beträgt der Einschaltstrom von Energiesparlampen ca. 174 A.

Funktionsweise des Kontakts:
Beim Schließen wird ein Prellen beider Kontakthälften verursacht (Bild 1). Nach dem Einschaltmoment öffnet der Kontakt für eine begrenzte Zeit wieder, bevor er erneut schließt. Es findet ein Stromfluss statt, der kurz danach wieder unterbrochen wird. Der unvermeidliche Lichtbogen führt infolge starker Erhitzung zum Verschweißen der Kontakte.
Mechanische Geräte sind aufgrund starker Rückstellkräfte in der Lage, die Kontakte beim Ausschalten wieder zu trennen. Elektronische Typen besitzen diese Fähigkeit konstruktiv nicht.

Mit dem DE ist es gelungen, ein Power-Relais zu entwickeln, was mit kleinsten Abmessungen eine Prellzeit von nur 200µs aufweist. Diese Voraussetzung macht es möglich, mit modernster Elektronik einen nahezu verschleißfreien Schaltvorgang zu realisieren, wie er bisher nur von Halbleiterschaltungen bekannt ist.


Die Fa. Electronic-Renaissance entwickelte dazu einen auf der Platine galvanisch getrennten Phasenlagen-Sensor, der es ermöglicht, das Power-Relais praktisch im Nulldurchgang der Netzhalbwelle zu schalten. Spannungsspitzen und andere netzseitige Störeinflüsse werden durch einen Microcontroller erfasst und entsprechend ausgewertet.
Eine integrierte Spannungsstabilisierung und mögliche Temperaturregelung kompensieren systematische Fehler im Langzeitbetrieb. Somit wird nicht nur der Verschleiß des Schaltgerätes stark minimiert, es erhöht sich gleichzeitig die Lebensdauer der Verbraucher.

Hans-Peter Dietrich und Uwe Lorenz

Im Web publiziert - 11/2003

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