Wenn’s warm wird!

Wärmemanagement beim Einsatz von Elementarrelais

Wärmeentwicklung und Wärmeverteilung auf elektronischen Steuerungen ist entscheidend für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Elementarrelais. Durch gezielte Relaisauswahl, abgestimmte Relaisansteuerung und gutes Design lässt sich der Wärmeeintrag und die Wärmeverteilung positiv beeinflussen.

Umgebungstemperatur

Um die Wärmeentwicklung einzuschätzen, ist eine einheitliche Sichtweise notwendig. Leider sind die Definitionen der Umgebungstemperatur nicht einheitlich. In der Relaisnormenreihe DIN EN 61810-1 (VDE 0435-1) wird die Wärmeentwicklung bei der Gruppenprüfung am mittleren von drei Relais mit Erregung 1,1 ∙ Unenn und max. Last bei definierter Prüfkammertemperatur gemessen. In der Praxis sind die Prüfbedingen jedoch nicht abbildbar. Die Platzierung der Bauelemente, unterschiedliche Messbedingungen etc. führen zu unterschiedlichen Messwerten. Da die Temperaturentwicklung der Relais maßgeblich durch die Relaisinnentemperatur bestimmt wird und diese bei einer Vielzahl von Relais, hauptsächlich von der Spulentemperatur abhängig ist, kann die Innentemperatur über die Widerstandsveränderung der Relaisspule abgeschätzt werden.

Ein einfaches Mittel für diese Abschätzung ist die Messung am Relais, sofern an der wärmsten Stelle, ohne Berührung der Oberfläche (bis ca. 1 mm) gemessen wird. Kritisch ist die Verwendung von Messstreifen, da diese die Wärmestrahlung beeinflussen. Relaisansteuerung Für hohe Schaltdynamik und damit gutes Schaltverhalten sind Relais zügig ein- und auszuschalten. Bei monostabilen Relais wird die Ansteuerleistung so lange benötigt bis der Magnetkreis sicher geschlossen ist. In der Regel reichen dazu 100 ms aus. Für eine höhere Schaltdynamik kann die Ansteuerenergie etwas höher als die Nennleistung gewählt werden. Danach kann auf die Halteleistung (z. B. 1/3 der Ansteuerleistung) zurückgegangen werden. Die in den Relaiskatalogen angegebenen Schaltzeiten sind Laborwerte z. B. ohne Schutzbeschaltung und in der Regel nicht 1 zu 1 in die Praxis zu übertragen. Die Abbildung zeigt das Temperaturverhalten bei unterschiedlichen Halteleistungen. Absenkung der Halteleistung verringert die Wärmeentwicklung.

Eine weitere Möglichkeit, die Erwärmung von Relais zu minimieren, ist der Einsatz von sogenannten „sensitiven“ Spulen. In der Regel wird dabei die Spule des monostabilen Relais mit einem dünneren Draht und entsprechend mehr Windungen aufgebaut. Damit kann die Spulenleistung bis zu 1/3 reduziert werden. Weitere Möglichkeiten bieten monostabile Relais mit Teilremanenz, bei denen der Magnetkreis „vorgespannt“ ist. Somit wird für die Überwindung des Luftspaltes weniger Energie benötigt. Bistabile bzw. Remanenzrelais kommen ohne Halteleistung aus. Bei ihnen wird die Spulenerregung nach dem Ende des Schaltvorgangs abgeschaltet.

Temperaturgerechtes Design

Dies bedeutet die Entwicklung eines Gerätes, durch dessen Verlustwärme die zulässige Umgebungstemperatur nicht überschritten wird und die Wärmeentwicklung im Inneren so gestaltet ist, dass ein zuverlässiges und kostenoptimiertes Gerät entsteht. Hierfür gibt es einfache Grundregeln. Vor dem Design der Steuerung sind die Bauelemente und deren Platzierung aus Sicht der Wärmeentwicklung zu untersuchen. Dazu gehört: • Wärmequellen analysieren und Konvektionsbereich definieren. • Überlappungen verhindern. • Das Gehäuse und die Einbaubedingungen im Feld betrachten. • Prüfen ob weitere Maßnahmen in der Steuerung oder am Bauteilnotwendig sind. Das auf der kompakten Platine eingesetzte Relais kann die Wärme nach oben gut abstrahlen. Die Relais überlappen sich auf der Platine nur mit 23 % ihres Umfangs. Auf zusätzliche Maßnahmen aufgrund der Wärmebetrachtung kann erst mal verzichtet werden. Bei komprimierten Platinendesgins können weitereMaßnahmen wie z. B. der Einsatz von Relais mit sensitivem Relaisantrieb oder Ansteuerung durch PWM notwendig sein, um die thermische Belastung des Geräts im gewünschten Bereich zu halten.

Jürgen Steinhäuser, Elesta GmbH