Immer kleiner? Aber sicher!

Wenn es um den Schutz von Mensch und Maschine geht, bilden Sicherheitsmodule und Sicherheitssteuerungen das Herzstück in Produktionsanlagen, Aufzügen oder der Bahntechnik.

Im Folgenden wird dieses Thema am Beispiel des SFM-Relais von Panasonic erörtert. Diese Relais verfügt über ein effizientes und polarisiertes Spulensystem, wodurch eine Bauhöhe von nur 7,8 mm und nominal 270 mW Spulenverlustleistung erreicht werden. Zusätzlich kann der Wärmeeintrag durch eine PWM-(Pulsweitenmodulation) Ansteuerung, im besten Fall durch eine aktive Reglung auf Basis der Spulentemperatur, um etwa die Hälfte reduziert werden.

Spulentemperatur – eine Frage des Widerstandes

Wir erinnern uns: Eine Spule besteht aus Kupferdraht, und der elektrische Widerstand von Kupfer ist temperaturabhängig. Mit P = U * I und I = U/R gilt P = U²/R. Steigt der Widerstand, muss daher auch die Spannung erhöht werden, um eine konstante Leistung zu erhalten (Bild 1).

Eine heiße Spur

Ein Blick ins Datenblatt verrät uns den Spulenwiderstandswert bei 20 °C. Darauf basierend lässt sich die Spulentemperatur bestimmen. In der praktischen Umsetzung bietet sich zur Ermittlung ein Shunt-Widerstand an, in Reihe geschaltet mit der Relaisspule (Bild 2). Dieser lässt sich über den A/D-Eingang eines Microcontrollers einlesen.

Über die so erhaltene Spannung können wir auf den aktuellen Spulenwiderstand und somit auf die Temperatur der Spule umrechnen. Weiteres Plus: Über einen Shunt wird nur der reale Anteil gemessen, komplexe Widerstände können vernachlässigt werden. Mit diesen Messwerten kann nun eine temperaturabhängige PWM realisiert werden.

Pulsweitenmodulation: Nieder mit der Spulenspannung! Das Magnetsystem eines monostabilen Relais im Ruhezustand hat einen signifikanten Luftspalt und daher einen hohen magnetischen Widerstand. Um diesen zu überwinden ist die Nennspannung erforderlich. Der magnetische Widerstand eines Systems ohne Luftspalt ist deutlich geringer. Dieser Effekt erlaubt es, die zugefügte Spulenleistung zu reduzieren, sobald das Relais, beziehungsweise der Luftspalt geschlossen ist.

Bleibt die Frage nach dem besten Weg, um die Spulenspannung an das gewünschte Niveau anzupassen? Hier stellt eine PWM einen gangbaren Weg dar. Die Spannung wird zwischen 100 % und 0 % schnell geschaltet, aus dem Verhältnis zwischen Ein-Zeit und Aus-Zeit ergibt sich die effektive Spulenspannung (Bild 3). Es müssen einige Dinge berücksichtigt werden:

Das Relais sollte immer mit nominaler, nicht modulierter Spulenspannung eingeschaltet werden (Richtwert 100 ms), um ein Durchziehen des Antriebs zu realisieren und alle bewegten Teile zur Ruhe kommen zu lassen. Wird hierauf verzichtet – oder mit zu geringer Spannung eingeschaltet – besteht die Möglichkeit, dass die Kontakte zwar schließen, das Relais jedoch nicht in dem stabilen Schaltzustand ist. Dies kann zu einer Fehlfunktion oder gar zur Beschädigung des Relais führen. Die Modulationsfrequenz sollte über 20 kHz liegen, um eine vom Menschen wahrnehmbare Geräuschentwicklung des Relais auszuschließen.

Soll die Temperatur der Spule selbst ermittelt werden, ist auch auf höhere Frequenzen zu achten, da dann die Welligkeit der Spulenspannung so gering ist, dass die Temperatur ohne signifikanten Fehler über einen Shunt bestimmt werden kann. Dies wiederum ermöglicht die aktive Regelung der effektiv anliegenden Spulenspannung über den PWM Dutycycle. Das Resultat erkennen wir gut auf dem Thermobild (Bild 4): Beim SFM-Relais wird die Spulenverlustleistung von nominal 270 mW auf circa 100 mW absenkt und die Erwärmung auf etwa die Hälfte reduziert.

Fazit

Mehr Sicherheit auf gleichem Platz? Kein Problem für die neuen flachen Relais. Effiziente Relais können den thermischen Eintrag mit niedrigen Spulenverlustleistungen aufgrund polarisierter Magnetkreise wirkungsvoll reduzieren. Durch die aktive Regelung der Spulenspannung lässt sich die Verlustleistung zusätzlich optimieren.

Bernd Prößner, Panasonic Electric Works Europe AG