Leistungsrelais - Die Grundlagen (2024)

Relais fungieren im Wesentlichen als Schalter, die den Betrieb anderer Schalter in elektrischen Schaltkreisen steuern. Durch ein leistungsschwaches Eingangssignal üben sie die Kontrolle über Schaltungen mit höherer Leistung aus. Die Aktivierung des Relais über ein Niederleistungssignal löst die Erregung eines Elektromagneten aus, wodurch die Bewegung eines Ankers eingeleitet wird. Diese Bewegung wiederum führt zum Schließen der elektrischen Kontakte und führt zur Übertragung von Energie auf den gesteuerten Stromkreis.

Einer der größten Vorteile dieses Designs liegt in der Fähigkeit, das Steuersignal mit geringer Leistung von der Schaltung mit höherer Leistung zu isolieren. Diese Isolierung schützt nicht nur das Bedienpersonal vor möglichen Gefahren, sondern auch die Geräte vor möglichen Schäden. Darüber hinaus erleichtert diese Komponente die Fernsteuerung von Geräten oder Systemen aus der Ferne.

Die Ursprünge der elektromechanischen Relais gehen auf das Jahr 1835 zurück, und trotz erheblicher Fortschritte bei ihren Komponenten und ihrer Vielfalt im Laufe der Jahre hat sich ihre grundlegende Funktion erhalten. Eines der bekanntesten Relais der Geschichte ist das Leistungsrelais. Obwohl alle elektrischen Relais von Natur aus die Leistung steuern, werden nicht alle Relais korrekt als „Leistungsrelais“ bezeichnet. Dieser Artikel befasst sich näher mit Leistungsrelais, einschließlich ihrer Vorteile, Konfigurationen und Hauptauswahlkriterien.

Grundlagen der Leistungsrelais

Leistungsrelais sind darauf spezialisiert, hohe Stromstärken zu schalten, die von einigen Ampere bis zu wesentlich höheren Werten reichen. Dank ihrer robusteren Bauweise und größeren Abmessungen können die Kontakte der Leistungsrelais größeren Strömen standhalten, was sie zu idealen Kandidaten für Anwendungen macht, die Ströme von typischerweise mehr als 10 Ampere erfordern.

Sie werden in den verschiedensten Branchen eingesetzt, z. B. in Automobilsystemen, Aufzugssteuerungen, Ventilantrieben und verschiedenen Geräten, die durch hohe Anfangsströme gekennzeichnet sind, wie z. B. Motoren, Solenoide, Netzteile und elektronische Vorschaltgeräte.

Wie bei anderen elektrischen Bauteilen gibt es auch bei Relais inhärente Einschränkungen hinsichtlich der Leistung, die sie sicher verwalten können. Jedem Modell ist eine maximale Nennleistung zugeordnet, die eine effiziente Anpassung an eine Vielzahl von Lasten gewährleistet, von Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Glühbirnen bis hin zu robusten Maschinen wie großen Motoren. Eine Überschreitung der angegebenen Nennleistung kann jedoch zu einer dauerhaften Beschädigung des Relais führen.

Darüber hinaus kann eine Fehlausrichtung der Kontakte zu einem Kontaktlichtbogen führen, der durch einen Stromfluss durch den Luftspalt zwischen den Relaiskontakten gekennzeichnet ist, wenn diese offen sind, aber nahe beieinander liegen. Dieses Phänomen birgt Risiken, die über die Funken- und Wärmeentwicklung hinausgehen, wie z. B. die Erosion von Kontakten und die Erzeugung unerwünschter elektrischer Interferenzen, die in der Nähe befindliche Geräte schädigen können.

Abbildung 1: Lichtbogenbildung bei elektromechanischen Relaiskontakten. (Bildquelle: CUI Devices)

Hier kommen Leistungsrelais ins Spiel, die speziell zur Bewältigung der elektrischen Lasten von Hochstromgeräten wie Heizungen, Motoren, Beleuchtungsanlagen und Industrieanlagen entwickelt wurden. Die höheren Strom- und Spannungswerte von Leistungsrelais sind größtenteils auf die Verwendung von Schaltkontaktmaterialien zurückzuführen, die sich von denen in normalen Relais unterscheiden. Diese Materialien werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, den harten Anforderungen von Hochleistungsanwendungen standzuhalten, und gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer in anspruchsvollen industriellen Umgebungen.

Kontaktmaterialien für Leistungsrelais

Wenn Strom durch Relaiskontakte fließt, trifft er auf einen Widerstand, der von der Größe und der Materialzusammensetzung der Kontakte abhängt. Ein erhöhter Widerstand verstärkt nicht nur die Verlustleistung im Relais, sondern erhöht auch die Wärmeentwicklung. Ein Ansatz zur Verringerung des Kontaktwiderstands ist die sorgfältige Auswahl der Kontaktmaterialien.

Herkömmliche Relais verfügen in der Regel über Kontakte aus Silbernickel, einem Metall, das für seine historische Allgegenwärtigkeit im Relaisbau bekannt ist. Silbernickel-Kontakte eignen sich hervorragend zum Schalten von ohmschen Lasten, bei denen Strom und Spannung in Phase sind.

Im Gegensatz dazu werden bei Relais, die für höhere Belastungen ausgelegt sind, wie z. B. Leistungsrelais, Kontakte aus Materialien wie Silbercadmiumoxid, Silberzinnoxid oder Goldlegierungen verwendet. Diese Materialien sind ideal für die Handhabung induktiver Lasten, die durch asynchrone Ströme und Spannungen gekennzeichnet sind, die zu erheblichen Strom- oder Spannungsspitzen führen können. Sowohl Silbercadmiumoxid- als auch Silberzinnoxid-Kontakte bieten einen geringeren elektrischen Widerstand und vermindern das Risiko des Verschweißens von Kontakten, das durch hohe Einschaltströme entsteht. Durch die Verwendung von Silberzinnoxid werden Umweltbedenken im Zusammenhang mit Legierungen auf Cadmiumbasis umgangen, so dass die von einigen Ländern aufgestellten Normen eingehalten werden.

Leistungsrelais im Vergleich zu Signalrelais

Leistungsrelais und Signalrelais sind zwei beliebte Varianten im Bereich der Relais. Während Leistungsrelais vorrangig für höhere Spannungen und Ströme ausgelegt sind, halten sie in der Regel weniger Lebenszyklen stand. Umgekehrt sind Signalrelais für eine höhere Anzahl von Lebenszyklen ausgelegt, arbeiten aber mit niedrigeren Spannungen und minimalem Strom.

Die in Leistungsrelais verwendeten Kontaktmaterialien eignen sich zwar für die Bewältigung von Szenarien mit hohem Stromverbrauch, sind aber nicht ideal für das Schalten mit niedrigem Stromverbrauch. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei niedrigeren Spannungen die physische Verbindung zwischen den Kontakten an erster Stelle steht, die durch Faktoren wie Kontaktdruck und Sauberkeit und nicht durch das Kontaktmaterial bestimmt wird.

Darüber hinaus birgt der Einsatz eines Signalrelais in einer Stromversorgungsanwendung Risiken, die zu einem katastrophalen Ausfall aufgrund von Überspannung oder Überstrom führen können. Selbst wenn ein solches Relais überleben sollte, würden ihm entscheidende Funktionen wie Lichtbogenschutz und Selbstreinigung der Kontakte fehlen, was die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Bei der Entscheidung zwischen Leistungs- und Signalrelais ist die Einhaltung einer grundlegenden Richtlinie entscheidend: Die zu schaltende Leistung muss immer mit der Nennleistung des Relais übereinstimmen. Dadurch wird eine optimale Leistung gewährleistet, das Ausfallrisiko gemindert und die Integrität des Relais und der zugehörigen Systeme aufrechterhalten. Weitere Informationen über Signalrelais finden Sie in einem anderen Artikel von CUI Devices mit dem Titel Signalrelais - Die Grundlagen.

Typen von Leistungsrelais

Leistungsrelais gibt es wie normale Relais in zwei Haupttypen: elektromechanische und Halbleiterrelais.

Elektromechanische Leistungsrelais basieren auf einer Kombination aus elektrischen Spulen, Magnetfeldern, Federn, beweglichen Ankern und Kontakten, um die Stromzufuhr zu einem Gerät zu regeln.

Halbleiterrelais kommen dagegen ohne bewegliche Teile aus. Stattdessen nutzen sie Halbleiterbauelemente wie siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs), TRIACs (Triode für Wechselstrom) oder Schalttransistoren, um sowohl Wechsel- als auch Gleichströme zu schalten. Halbleiterrelais bieten im Vergleich zu elektromechanischen Relais Vorteile wie schnellere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Zuverlässigkeit. Ihre Kosteneffizienz nimmt jedoch mit steigendem Leistungsbedarf ab, da die Kosten für robuste Leistungshalbleiter und die Einbeziehung zusätzlicher Komponenten für das Wärmemanagement höher sind.

Abbildung 2: Beispiel für ein Halbleiterrelais in Kombination mit einem Kühlkörper. (Bildquelle: CUI Devices)

Übliche Konfigurationen und Nennwerte

Leistungsrelais werden ebenso wie Signalrelais anhand ihrer Kontaktkonfiguration kategorisiert, die die Anzahl der Geräte angibt, die sie gleichzeitig steuern können. Zu den gängigen Klassifizierungen gehören:

• SPST (einpolig, Ein/Aus-Schalter)
• DPDT (zweipolig, Umschalter)
• 3PDT (dreipolig, Umschalter)
• SP3T (einpolig, Zweifach-Umschalter)

Relaiskontakte werden entweder als Schließer (NO) oder als Öffner (NC) bezeichnet, je nachdem, in welchem Zustand sie sich befinden, wenn keine Spannung an das Relais angelegt ist.

Die Nennwerte von Relais geben die maximale Leistung an, die von dem Relais sicher und effektiv geschaltet werden kann. Diese Nennwerte werden in der Regel in Ampere sowohl für Wechsel- als auch für Gleichströme angegeben. Entscheidend ist, dass die Leistung des Relais die Leistung des zu schaltenden Geräts übersteigt, wobei eine Sicherheitsmarge berücksichtigt werden muss.

Ähnlich wie bei den Signalrelais können auch Leistungsrelais mit dem Begriff „Form“ beschrieben werden. Ausdrücke wie „1 Form A“ oder „2 Form C“ geben Aufschluss über die Eigenschaften des Relais. Die Zahl vor „Form“ gibt die Anzahl der im Relais verfügbaren beschriebenen Kontakte an. „Form A“ steht für ein normalerweise offenes Relais, während „Form B“ ein normalerweise geschlossenes Relais bezeichnet. „Form C“ und „Form D“ gelten für SPDT-Relais und geben an, welche Stellung als normal geschlossen gilt und ob das Relais ein unterbrechender Schalttyp oder ein kurzschliessender Schalttyp ist. Es gibt zwar noch zahlreiche andere Formen, aber diese vier sind die am häufigsten verwendeten.

• Form A - Schließer
• Form B - Öffner
• Form C - SPDT-Schalter vom unterbrechenden Typ
• Form D - SPDT-Schalter vom kurzschliessenden Typ

Zusätzliche Überlegungen

Einige zusätzliche Überlegungen, die bei der Auswahl des Bauteils berücksichtigt werden sollten, sind:

• Eingangsstromstöße: Bestimmte Geräte können beim Einschalten erhebliche Stromstöße erzeugen. Es ist wichtig, diese Überspannungen zu erkennen, bevor ein Relais spezifiziert wird, um Schäden am Gerät zu vermeiden.
• Spulenunterdrückung: Relaiszyklen können Hochspannungstransienten erzeugen. Bei der Spulenunterdrückung werden zusätzliche Komponenten in den Stromkreis eingebaut, um die Geräte vor diesen Transienten zu schützen. Dies kann jedoch die Lebensdauer des Relais verkürzen. Bestimmen Sie, ob eine spezielle Spulenunterdrückungsstrategie für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist.
• Selbsthaltung: Ein selbsthaltendes Relais behält seine letzte Kontaktstellung bei, auch wenn die Aktivierungsspannung entfernt wird. Diese Funktion kann für bestimmte Anwendungen erforderlich sein.
• Rauschen: Relais können elektromagnetische Störungen (EMI) oder Hochfrequenzstörungen (RFI) verursachen, die bei Geräten mit hoher Leistung stärker ausgeprägt sein können. Bestimmen Sie vorher, wie empfindlich ein Gerät oder System auf dieses Rauschen reagiert.
• Kontaktprellen: Wenn ein Relais zyklisch arbeitet, können seine Kontakte kurze Öffnungs-/Schließzyklen durchlaufen, die als Kontaktprellen bezeichnet werden und elektrische Impulse erzeugen. Je nach Empfindlichkeit der Anwendung kann dieses Prellen unerwünschte Auswirkungen haben. Daher ist es wichtig, vor der Spezifikation eines Relais zu bestimmen, ob das Prellen von Kontakten eine Anwendung beeinträchtigt.

Abbildung 3: Beispiel für Kontaktprellen und die sich schnell ändernden Spannungen. (Bildquelle: CUI Devices)

Fazit

Relais sind zuverlässige und effiziente Bauelemente, die eine sichere elektrische Steuerung von Systemen und Geräten ermöglichen und dabei das Bedienpersonal sicher vom Betriebsstrom trennen. Leistungsrelais, ob elektromechanische oder Halbleiterrelais, sind speziell mit verbesserten Funktionen ausgestattet, um höhere Spannungen und Ströme zu verwalten.

CUI Devices bietet eine breite Palette an Leistungs- und Signalrelais an. CUI Devices verfügt über Relaislösungen, die eine Vielzahl von Anforderungen effektiv und effizient erfüllen, unabhängig davon, ob es sich um das Schalten hoher oder niedriger Ströme handelt.