Eine neue Generation

Verwendung von Hochstromrelais auf der Leiterplatte

Neue Märkte wie Antriebstechnik, Solar- und Batterietechnik aber auch Stromversorgungen für die Datenverarbeitung und E-Mobility, verlangen nach kompakten Relais mit Strömen bis zu 120 A.

All diese Anwendungen verlangen nach Schaltlösungen; jedoch mit unterschiedlichen Anforderungen. Als Beispiel sei hier die Energieverteilung genannt, bei der es mehr um die Verteilung der Energie und eine schnelle Abschaltung im Notfall geht als um ständiges Schalten der Last. In der Vergangenheit wurden hier hauptsächlich Schütze verwendet. Der Trend geht aber heute eindeutig zu Relais, die direkt auf die Leiterplatte gelötet werden. Eine neue Generation von Relais, die den Strombereich bis 120 A abdecken und Terminals zur Leiterplattenmontage aufweisen, sind bereits verfügbar. Durch die unterschiedlichen thermischen Belastungen von Leiterplattenmaterial, Kupfer und Relais ist es immer eine Herausforderung, die Stromführung und die elektronische Steuerung auf einer Leiterplatte zu vereinen. Neben der Eigenerwärmung der Leiterplatte kommt die Verlustleistung am Relaiskontakt dazu. Diese ist aber nicht wie der Kupferwiderstand eine feste Größe, die sich nach dem Ohmschen Gesetz richtet, sondern variiert mit dem Strom und ändert sich über die Lebensdauer bzw. über die Anzahl der Schaltspiele. Alle Hersteller empfehlen, die Leiterbahnen beim Einsatz von Leiterplattenrelais ausreichend zu dimensionieren, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Abbildung 1: Widerstandsverlauf in Abhängigkeit der Schaltspielzahl für eine Leistung von 400 VAC und einem Strom von 20 A, 90 A und 120 A

Die Messwerte in Abbildung 1 zeigen die Änderungen des Gesamtwiderstandes für das neue HE-Y7 Relais von Panasonic mit zunehmender Schaltspielzahl und Strömen von 20 A, 90 A und 120 A bei 400 VAC. Ein fabrikneues Relais hat zunächst einen Widerstand, der von den Kupferleitungen im Inneren des Relais abhängt und dem eigentlichen Übergangswiderstand an der Kontaktstelle. In der Spezifikation wird der Relaiswiderstand für einen Stromwert von 20 A angegeben. Unter Belastung verbessert sich der Übergangswiderstand zunächst, weil dünne Oxidationsschichten abgebaut werden. Gegen Ende der Lebensdauer nimmt der Widerstand durch Abbrand wieder zu.

Gesamtwiderstand und Übergangswiderstand
Der Übergangswiderstand RK an der Kontaktstelle, auch als Engewiderstand bezeichnet, ist im Wesentlichen von zwei Faktoren abhängig: Von der Wahl des Kontaktmaterials und der Kontaktkraft FK. Dies wird mit folgender Formel verdeutlicht, die in einer ersten Näherung die gegenseitige Abhängigkeit aufzeigt:

Hierin gelten: H = Härte  und γ = spezifischer Widerstand des Kontaktwerkstoffs mit FK als Kontaktkraft. Das Ziel ist es, durch die Wahl eines geeigneten Kontaktwerkstoffes mit guter elektrischer Leitfähigkeit und einem effektiven magnetischen Antrieb, der die notwendige Kontaktkraft aufbringt, die gesamte Verlustleistung zu minimieren. Es ist offensichtlich, dass eine Erhöhung der Kontaktkraft durch eine höhere Spulenleistung erkauft wird. Diese beträgt beim HE-Y7 Relais 2,5 W. Als Kontaktmaterial wird AgNi verwendet. Die nötige Kontaktkraft beträgt 1,5 N um einen stabilen Übergangswiderstand von 0,1 mΩ zu erreichen. Durch Oxidation und Fremdschichten kann der reale Wert deutlich von obiger Formel abweichen, die in ihrer Näherung von einem idealen sauberen Kontakt ausgeht. Der Widerstand der Terminals und Federn im Inneren des Relais beträgt ca. 400 mOhm. Damit ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 0,5 mOhm zwischen den Terminals. Der kompakte Aufbau mit den äußeren Abmessungen ist in Abbildung 2 zu sehen.

Abbildung 2: Schnittzeichnung Panasonic HE-Y7 Relais

Verluste im Relais im Betrieb
Bei einem Strom von 120 A und einem Widerstand von 0,5 mOhm errechnet sich eine Verlustleistung von 7,2 Watt, die über die Leiterbahnen abgeführt werden muss. Dabei ist noch die Eigenerwärmung des Kupfers zu berücksichtigten, denn der Widerstandswert von Kupfer steigt mit der Temperatur. Schaltet man eine Leistung von 48 KW (400 VAC /120 A) verliert der Kontakt bei jedem Schaltspiel eine geringe Menge an Kontaktmaterial. Dieses Abbrandverhalten führt mit der Zeit zu einem verringerten Kontaktdruck und damit zu einem höheren Übergangswiderstand. Der Widerstands-verlauf in Abhängigkeit vom Strom ist sehr schön in Abbildung 1 zu erkennen. Bei 120 A ergibt sich schon nach 2000 Schaltspielen ein erheblicher Abbrand, der den Widerstand steigen lässt. Dieser Anstieg muss bei der Applikationsentwicklung berücksichtigt werden, um jegliches thermische Problem über die Lebensdauer auszuschließen. Als maximale Temperatur sollten 130° C am Terminal nicht überschritten werden.

Dr. Dieter Volm, Panasonic Electric Works Europe AG