Brennpunkt: Lebensdauer von Relais

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Ausgabe Nov. 2008
Funktionale Sicherheit mit Relais
100 % Verfügbarkeit ist
Utopie; reale Verfügbarkeit
ist stets kleiner 100 %. Die
Differenz ist das Fenster für
den Eintritt eines Ausfalls,
das Restrisiko. Der Zeitpunkt
eines Ausfalls ist nicht bekannt, er kann jederzeit
sein.
Mit einer geeigneten Struktur des
Geräteaufbaus und unter Beachtung sogenannter Sicherheitsprinzipien lässt sich nach Eintritt eines
Ausfalls eine sicherheitskritische
Wirkung in Systemen unabhängig
vom Zeitpunkt verhindern.
Die Bewertung einer Sicherheitsfunktion ist nicht nur von der Qualität und der Funktionsweise der
verwendeten Bauelemente abhängig, d. h. von ihren sicherheitstechnisch kritischen Kennwerten, sondern insbesondere auch von der zu
Grunde liegenden Schaltung mit
ihrer Struktur und Bemessung.
Warum neue Kennwerte?
Um sicherheitsgerichtete Funktionen bewerten zu können, bedient
man sich wahrscheinlichkeitsbasierter (probabilistischer) mathematischer Bewertungsmodelle.
Eine mathematisch exakte Berechnung ist nicht möglich, aber eine
qualifizierte Abschätzung.
Dieser Vorgang muss nachvollziehbar und damit durchschaubar
sein. Dies erfordert Daten, deren
Zustandekommen, d. h. deren Basis, ebenfalls nachvollziehbar und
durchschaubar ist. Werden Daten
mit unbekannter Basis verwendet, kann auch das Ergebnis nur
etwas Unbekanntes sein, letztlich
subjektiv.
Eine wahrscheinlichkeitsbasierte
Methode der Bewertung ist durch
die Verwendung elektronischer
Bauelemente im Zusammenhang
mit funktionaler Sicherheit erforderlich geworden. Elektronischen
Bauelementen unterstellt man ein
typisch zeitabhängiges Ausfallverhalten über ihre Lebensdauer.
FUNKTIONALE SICHERHEIT
GRUNDLEGENDE SICHERHEITSPRINZIPIEN
Teil der Gesamtsicherheit, bezogen auf das
System, die von der korrekten Funktion des
sicherheitsbezogenen Systems und externen
Einrichtungen zur Risikominderung abhängt.
[IEC EN 61508-4:2002,
Abschn. 3.1.9 mod., IEC EN 62061]
Das sogenannte Ruhestromprinzip wird in
der ISO DIN EN 13849-2, Tabelle D.1, neben
weiteren grundlegenden Sicherheitsprinzipien, als grundlegendes Sicherheitsprinzip
zur Energietrennung aufgeführt. Dieses und
die weiteren sind bei Sicherheitsbauteilen
stets anzuwenden. Daneben sind auch die
bewährten Sicherheitsprinzipien zu beachten.
ANMERKUNG: Diese Bedingung schließt
Fehlertoleranz, Fehlererkennung (Diagnosefähigkeit) ein.
Dies ist in der Regel bei mechanischen Bauelementen nicht zu
erwarten.
Die Lebensdauer ist typisch von der
in der Anwendung auftretenden
Beanspruchung abhängig (Höhe,
Art und Häufigkeit) und nicht direkt von einer Zeit.
Es muss demzufolge die Möglichkeit einer Transformation der Daten eröffnet werden, welche die
Höhe, Art und Häufigkeit beinhalten.
Die in der Anwendung erwartete
Beanspruchung muss in Verbindung mit der möglichen Beanspruchbarkeit (in Schaltspielen) in
eine Zeit umgerechnet werden.
Die benötigten Kennwerte sind am
aktuellen Bauelement zu ermitteln,
damit liegt dann der aktuelle Stand
von Technik und Technologie der
verwendeten Elementarrelais zu
Grunde.
Wie bieten Elementarrelais funktionale Sicherheit?
Zur Klarstellung sei festgehalten,
dass auch das Bauelement Elementarrelais (wie alle anderen) für
sich betrachtet, keine Sicherheitsfunktion und damit auch keine
funktionale Sicherheit darstellt.
Funktionale Sicherheit ist zwar
hochwertig machbar, aber erst
durch die richtige Nutzung der
angebotenen Eigenschaften in
Verbindung mit einer entsprechenden Schaltung. Bei dieser sind
dann auch Sicherheitsprinzipien
zu berücksichtigen, wie z. B. das
sogenannte
Ruhestromprinzip
1
[ISO DIN EN 13849-2 ].
Daraus ergibt es sich, dass typisch
das Öffnungsversagen von Kontakten eine sicherheitskritische Bedeutung hat.
Fortsetzung Funktionale Sicherheit mit Relais
von Sicherheitsbauteilen, in denen
Elementarrelais verwendet werden, ist damit möglich.
SICHERHEITSBAUTEIL
Teil eines Steuerungssystems mit Sicherheitsfunktion
ANMERKUNG: Ein Sicherheitsbauteil ist kein
Bauelement.
4
Dieser B10-Wert (CTF10 ), kann in
eine für die Bewertung erforderFür den Anwender bietet sich das
5
liche Zeit (TTF10 ) umgerechnet
Elementarrelais als „Black Box“ an.
werden. Es besteht nachstehende
Für ihn zeigt sich ein Ausfall durch
Beziehung:
ein Kontaktversagen. Ein Kontakt
zeigt sich funktional als geschlosB
TTF10 = 10
nop
sen, obwohl er geöffnet sein sollte
Anzahl Schaltspiele
(Öffnungsversagen) bzw. als ge- [Jahre =
]
Anzahl Schaltspiele in der
öffnet, obwohl er als geschlossen
Anwendung pro Jahr
erwartet wird (Schließversagen).
Das Prinzip Zwangsöffnung ist Das Bewertungsergebnis liefert
bei Relais nicht umsetzbar. Diese eine Angabe zur Verfügbarkeit, die
Ausfälle von Kontakten sind nicht aber nicht zwingend mit der Zuverausschließbar, es muss mit ihnen lässigkeit der Sicherheitsfunktion
gerechnet werden. Ausschließbar gleichzusetzen ist. Speziell für Beist nur das gleichzeitige Öff- wertungen zur Zuverlässigkeit der
nungsversagen von Schließern Sicherheitsfunktion ist der sicherund Öffnern bei Elementarrelais heitskritische Ausfall zu definieren.
mit zwangsgeführten Kontakten, Dies ist meistens das Öffnungsver2
die entsprechend DIN EN 50205 sagen am Schließer. Der zugeordnete B10-Wert heißt dann B10d (d =
gebaut sind.
dangerous). Die Ermittlung dieses
Kennwertes ist ebenfalls in der
Daten für die Bewertung
PAS-IEC 61810-2-1 beschrieben.
Das Ende der Lebensdauer ist
durch ein Öffnungs- bzw. SchließB10d
TTF10d =
versagen gegeben. Dabei ist das
nop
Öffnungsversagen von Schließern
Anzahl Schaltspiele
]
das typisch sicherheitskritische Kri- [Jahre =
Anzahl Schaltspiele in der
Anwendung pro Jahr
terium.
Die Lebensdauer charakterisierenBei Anwendung geeigneter Schalde Kenngröße ist der sogenannte
tungstechnik erleidet auch bei
B10-Wert in Anzahl Schaltspiele.
einem Ausfall des als kritisch definierten Kontaktes das SicherheitsANMERKUNG:
B10 ist die statistisch mittels der Wei- bauteil keinen Verlust der Sicherbull-Verteilung festgestellte Anzahl der heitsfunktion. Der entstandene
Schaltspiele bis zum Ausfall von 10 %
Verfügbarkeitsverlust kennzeichdes Testloses. Dieser statistische Wert
ist nicht gleich dem, wenn aus dem Los net dann das Ende der Funktionsvon zehn Probanden der Erste ausge- dauer, aber nicht den Verlust der
fallen ist. Er ergibt sich vielmehr über Sicherheitsfunktion
(Gebrauchsdie Ausgleichsgerade der Verteilung.
dauer).
Hier sind normative Anforderungen
hilfreich, denn nur standardisierte
Testbedingungen lassen eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu.
3
Mit der PAS-IEC 61810-2-1 besteht jetzt diese Voraussetzung.
Die damit ermittelten Kennwerte
sind nachvollziehbar und vergleichbar. Eine qualifizierte Abschätzung
ANMERKUNG:
Leider
kennt
derzeit
die
ISO DIN EN 13849-1 den Begriff Funktionsdauer nicht, sondern nur die
Gebrauchsdauer. Damit ist die klare
Unterscheidung und die differenzierte
Bewertung dieser beiden Arten von Lebensdauer erschwert.
Fortsetzung nächste Seite
Die weitere Vorgehensweise für
die Bewertung der Sicherheitsfunktion des Sicherheitsbauteiles
ist in den entsprechenden Anwendernormen beschrieben.
Normen
Die international geschaffene
und verabschiedete Spezifikation
1
2
3
4
ISO DIN EN 13849-2
PAS-IEC 61810-2-1 steht im Zusammenhang mit der Grundnorm
6
IEC DIN EN 61810-1 und der
7
IEC DIN EN 61810-2 .
Schlussbemerkung
Das hier angesprochene Thema ist
komplex und damit besonders erklärungsbedürftig.
Sicherheit von Maschinen
Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen
Teil 2: Validierung
DIN EN 50205
Relais mit (mechanisch) zwangsgeführten
Kontakten
PAS
PAS-IEC 61810-2-1
Publicly Available Specification
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 2-1: Funktionsfähigkeit
Verifizierung von B10-Werten
CTF
Cycle To Failure
Es stellt insbesondere auch an den
Entwickler von Sicherheitsbauteilen neue Anforderungen. Elementarrelais bieten Eigenschaften,
welche den verschiedensten Ansprüchen gerecht werden können,
8
wie z. B. in Systemen für SIL (SIL9
CL) 1 bis 4 oder bis zu einem PLe .
5
6
7
8
9
In der hier nur möglichen Kürze
sollte auf einige wesentliche elementare Aspekte hingewiesen
werden.
Eberhard Kirsch
Hengstler GmbH
TTF
Time To Failure
IEC DIN EN 61810-1
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 1: Allgemeine Anforderungen
IEC DIN EN 61810-2
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 2: Funktionsfähigkeit (Zuverlässigkeit)
Hinweis: Ersatz für IEC DIN EN 60255-23
SIL (SILCL)
Safety Integrity Level (Safety Intergrity Level Claim) 1 bis 3;
IEC DIN EN 62061
PL
Performance Level a bis e;
ISO DIN EN 13849-1
Gastbeitrag:
Mit Relais zur Leistungsspitze
Brennpunkt: Lebensdauer von Relais
Relais in elektronischen Wendeschützen
Schaltlichtbogen bei DC-Lasten
Phoenix Contact ist führender Hersteller von Komponenten und Systemen für
die gesamte Automatisierungstechnik. Die Produktlinie Digital Interface entwickelt und liefert innovative
Relais- und SSR-Interfaces
als Schnittstellen zwischen
Steuerungs- und Feldebene.
Mal ganz ehrlich, wenn die Zielformulierung für ein Interfaceprodukt lautet:
hohe Lebensdauer
■ große Platzersparnis
■ galvanische Trennung
■ Störunempfindlichkeit
■ geringe Verlustleistung
■ attraktiver Preis
■ Sicherheitskategorie 3 bzw. SIL3
■
Sehen Sie dann sofort ein elektromechanisches Relais als Bestandteil dieses Produktes vor sich?
Selbstverständlich! Vielleicht nicht
allein, aber in Symbiose mit an-
deren Komponenten entsteht ein
unschlagbares Team, das mit intelligenter Hybridtechnologie die
Vorteile/Stärken von ausgereifter
Relaistechnik und verschleißfreier
Halbleitertechnik kombiniert und
deren Schwächen eliminiert.
Die Zielformulierung ist nicht aus
der Luft gegriffen, sondern stand
als konkrete Anforderung zur Realisierung an.
Die Applikation: Zuverlässiges
Schalten, Reversieren und Schützen von Motoren bis 4 kW.
Wie also macht man so etwas
aktuell und wie könnte man es
künftig besser machen?
Die klassische Antriebssteuerung
für einen Motor besteht bisher aus
vier Grundbestandteilen: Rechtsschütz, Linksschütz, Motorschütz
und Not-Aus-Schütz(en). In der
Leistungsklasse bis 4 kW bedeutet
dies eine Baubreite von minimal
90 mm bis maximal 180 mm auf
der Tragschiene.
In Zukunft erledigt das „RelaisTeam“ im CONTACTRON-Halbleiterschütz „4 in 1“ dies auf
22,5 mm Baubreite. Alle vier
Hauptfunktionen sind dabei zu einer Einheit zusammengewachsen.
Damit entfällt auch die aufwendige
und fehlerträchtige Verdrahtungsarbeit. Die hohe Leistungsdichte
der Relais, also hohe Dauerströ-
me bei geringer Verlustleistung
[= geringe Erwärmung], das
verschleißfreie Schalten der Halbleiter [= Übernahme der Einund Ausschaltbelastung] und
das intelligente Management beider durch einen Mikrocontroller
[= Zeit-/Kontaktmanagement
und redundante Sicherheit],
verleiht der Einheit zusätzlich
noch eine mindestens zehnfache
Lebensdauer.
Dank der geringen Verlustleistung
der Relaiskontakte ist kein Kühlkörper notwendig und das Bauvolumen wird deutlich reduziert.
Damit gelingt es dem Relais erneut
seine Leistungsfähigkeit unter Beweis zu stellen und als Teamplayer
mit individuell einzigartigen Eigenschaften das Gesamtergebnis
maßgeblich positiv zu beeinflussen.
Frank Herden
Phoenix Contact Electronics GmbH
Die Lebensdauer von elektromechanischen Relais wird von
Kontaktabbränden - verursacht
durch Schaltlichtbögen - wesentlich beeinflusst.
Die Physik der Schaltlichtbögen mit ihren sehr differenzierten Zusammenhängen und Wirkungen im Detail soll hier
nicht näher erläutert werden.
Für die Beherrschung in der Anwendung mittels Schaltungstechnik reicht
Durch eine geeignete Relaiskonstrukin der Regel die Kenntnis des Auftretion und vor allem aber durch eine
tens als solches aus.
Schaltungstechnik, die der geschalteten Last angepasst ist, kann dieser
unerwünschte Einfluss gemindert Konstruktive Maßnahmen
oder gar nahezu aufgehoben werDie spezielle konstruktive Auslegung
den.
des verwendeten Relais sowie die verwendeten Werkstoffe bieten für den
Einsatz grundlegende Eigenschaften.
Hinzu kommen die Stabilität und das
Niveau der Fertigungsqualität.
Dieses Bild zeigt einen grün schimmernden Schaltlichtbogen beim Abschalten einer Induktivität. Die Ausprägung wird durch die Höhe und Art der
geschalteten Last bestimmt.
Der Materialeinsatz für die Kontaktstücke und deren Formgebung
spielen eine wichtige Rolle. Kontaktstücke, welche mittels einer guten
Vernietung (Fertigungsqualität) mit
den Zuleitungen verbunden sind, verfügen nicht nur über eine gute Stromtragfähigkeit, sondern können auch
die entstehende Wärme besser vom dass die Magnetfeldlinien im WinKontaktstück wegleiten. Der Kon- kel von 90° zur Stromflussrichtung
taktabbrand durch Schaltlichtbögen liegen.
wird vermindert.
Fortsetzung auf Seite 2
Auf die Auswahl des Kontaktmaterials ist zu achten. Verbundwerkstoffe
z. B. aus Silber und Nickel oder Silber
und Zinndioxid bieten eine höhere
Abbrandfestigkeit und geringere
Verschweißneigung gegenüber einfachen Silberlegierungen.
Nachteil ist sicher der höhere Preis für
Materialeinsatz und Fertigung.
Low-Cost-Anbieter setzen am Materialeinsatz und auch bei der gefertigten
Qualität gerne die Kostenschraube
an.
Eine weitere Möglichkeit, dem Kontaktabbrand entgegen zu wirken, ist
der Einsatz eines Blasmagneten.
Hierbei lenkt ein Dauermagnet den
Lichtbogen ab und begünstigt so seine Löschung.
Der Magnet muss so angebracht sein,
In dieser Ausgabe
 Schaltlichtbogen bei DC-Lasten
 Commodity Goes Special
 Schmales Leistungsrelais G6DS
 Funktionale Sicherheit
mit Relais
 Gastbeitrag:
Relais in elektronischen
Wendeschützen
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Warum in die Ferne schweifen...?
Werden Sie auch oft gefragt, warum Sie noch im
Herzen Europas produzieren, wo doch asiatische
Standorte so große Vorteile bieten? Unsere Antwort lautet in erster Linie: „Kundennutzen!“
Nähe zum Anwender, Fragen zügig beantworten
und Marktanforderungen kurzfristig in Produkte
umzusetzen, sind dabei ebenso wichtig wie hohe
Produktverfügbarkeit und marktgerechte Preise.
Was als Widerspruch erscheint, entpuppt sich
bei genauerem Hinsehen als Chance.
Technisch ähnliche Produkte basieren - sofern die Qualität den Anspruch tatsächlich widerspiegelt - auf vergleichbaren Materialien. Somit wird die Wettbewerbsfähigkeit in erster Linie durch Engineering,
Produktivität und Logistik determiniert. Dies gilt für viele, im ZVEI-Arbeitskreis Schaltrelais vertretene Unternehmen umso mehr, je höher die
Anforderungen an das Relais sind.
In der Entwicklung, wie auch in der Fertigungstechnik, ist das Engineering Know-how über Generationen in den Unternehmen gewachsen
und tief verwurzelt. In enger Zusammenarbeit mit Kunden entstehen
daraus innovative Produkte. Dies wird gerade bei neuen Herausforderungen wie z. B. spezielle Relais für die alternative Energiegewinnung
oder der Entwicklung energieeffizienter Relais deutlich.
Produktivität wird definiert als der Quotient aus produzierten Ergebnissen und eingesetzten Ressourcen. Die Mitglieder im ZVEI-Arbeitskreis Schaltrelais setzen auf Qualität als „produziertes Ergebnis“. Diese
Qualität ist nur mit einer bestimmten Güte an eingesetzten Ressourcen
zu erreichen. Somit ist die Diskussion um Produktivitätsnachteile in den
deutschsprachigen Ländern differenzierter zu führen.
Ein nicht zu unterschätzender Standortvorteil ist die Logistik. Kurze
Lieferzeiten und hohe Flexibilität werden vorausgesetzt. Ob Einzelversand, Rolling Forecast per EDI oder klassische Abrufaufträge. Hohe
Professionalität muss vom Hersteller gewährleistet werden. Reibungsverluste durch Verspätungen oder unklare Transportzeiten sind für eine
Vollkostenbetrachtung nicht unerheblich.
So sehen wir unsere Standortwahl im Herzen Europas als wichtigen
Erfolgsfaktor und Ansporn zugleich. Nicht zuletzt zeigen viele unserer
Kunden, dass Produktion in Europa lohnenswert ist. Warum also in die
Ferne schweifen….?
Ihr
Geschäftsführer ELESTA relays GmbH
www.schaltrelais.de
Fortsetzung von Seite 1
Ein Beispiel für diese Lösung ist das gie umgesetzt ist. Die Spannung am
JC-Relais von Panasonic Electric Kontakt erhöht sich dabei lediglich
um die Schwellenspannung der DiWorks.
ode. Nebenwirkung ist, dass bei dieDauermagnet
ser Methode die Rückfallzeit der geschalteten Induktivität, zum Beispiel
die Spule eines Relais, Schützes oder
Ventils, um etwa den Faktor 4 bis 5
ansteigt.
Alternativ dazu können auch ZenerDioden, Varistoren (VDR) oder auch
RC-Glieder eingesetzt werden. Der
Einfluss auf die Rückfallzeit ist hier
deutlich geringer.
Geöffnetes JC-Relais
Dieses Bild zeigt einen Schnitt durch
das Gehäuse, deutlich ist der Magnet neben dem sichtbaren der beiden Schließer zu sehen.
Bei Verwendung einer Zener-Diode
(in der Regel mit einer in Reihe geschalteten „normalen“ Diode, um
einen Stromfluss durch die ZenerDiode in deren Flussrichtung zu unSchalttechnische Maßnahmen
terbinden) erhöht sich die Spannung
Neben den konstruktiven Maßnah- am Kontakt um den Wert der Zenermen hält das Elektronik-Einmaleins Spannung. Die Rückfallzeit erhöht
zahlreiche Schaltungstricks bereit, sich um weniger als das Zweifache.
um Schaltlichtbögen zu vermindern
oder gar nicht erst entstehen zu Bei Verwendung eines Varistors erlassen. Es handelt sich dabei um Be- höht sich die Spannung am Kontakt
schaltungen der geschalteten Last. um den Wert der DurchbruchspanAllen Möglichkeiten ist gemeinsam, nung. Die Erhöhung der Rückfallzeit
dass diese Beschaltung so nah wie ist abhängig von der Durchbruchmöglich an der Last anzubringen spannung des Varistors. Die Rückist. Es werden damit unerwünschte fallverzögerung ist im Regelfall verelektromagnetische Abstrahlungen nachlässigbar klein.
minimiert.
Bei Verwendung von RC-Gliedern
Aus der Schaltungstechnik kaum als Schutzbeschaltung ist die opmehr wegzudenken ist die soge- timale Anpassung an die geschaltete Last besonders wichtig. Der
nannte Freilaufdiode.
Diese ist parallel zur induktiven Last Kondensator minimiert die Erhöangeordnet, aber in Sperrrichtung hung der Spannung am Kontakt.
zur geschalteten Stromflussrichtung. Sie wird nur durch den in Reihe mit
Bei angeschalteter Last leitet die Di- dem Kondensator liegenden Widerode nicht. Erst für die Polarität der stand bestimmt. Die Änderung der
Induktionsspannung wird die Diode Erhöhung der Spannung, über die Zeit
in Flussrichtung beansprucht und gesehen, ist abhängig von der Zeitsorgt für einen Stromfluss, bis die konstanten R*C.
in der Induktivität gespeicherte EnerFortsetzung nächste Seite
Martin Kunschert
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 impressum
Herausgeber: Forum Innovation Deutscher
Schaltrelaishersteller im ZVEI
Auflage: 36.200
Redaktion: K. Dold, E. Kirsch, W. Renardy,
C.- D. Schulz, J. Schönauer, W. Tondasch,
R. Eisinger, Dr. M. Winzenick, J. Steinhäuser
Kontakt: ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.,
Fachabteilung Relais, Lyoner Str. 9,
60596 Frankfurt /Main
Beteiligte Firmen:
E. Dold & Söhne KG,
Finder GmbH
Hengstler GmbH
Panasonic Electric Works Deutschland GmbH
Omron Electronic Components Europe B. V.
Zettler electronics GmbH
Tyco Electronics AMP GmbH
Elesta relays GmbH
Die abgedruckten Daten sind nicht allgemein
verbindlich. Maßgebend sind die spezifischen
Daten der Hersteller.
Beispiele für Schutzbeschaltungen
Einschaltvorgang
Beim Einschalten von kapazitiven
Lasten sowie bei Lampenlast treten
kurzzeitige Stromspitzen auf, die
zu einer punktuell starken Erwärmung der schaltenden Kontakte
führen können.
Das Risiko ist das Verhaken bzw.
Verschweißen der Kontaktstücke.
Diesem Effekt kann durch eine
Anpassung des verwendeten Kontaktmaterials
entgegengewirkt
werden. Reicht dies nicht aus,
gibt es die Möglichkeit, von einem
z. B. mit Wolfram bestückten Kontakt die Stromspitze abzufangen,
um danach auf einen mit gut leitendem silberbasierten Kontaktwerkstoff versehenen Kontakt
umzuschalten (beim Schließen eilt
der mit Wolfram als Kontaktwerkstoff versehene Kontakt dem gut
leitenden Kontakt zeitlich voraus).
Ähnliches ist auch mit einem zeitlich begrenzt wirksamen Vorwiderstand zur Bedämpfung der Stromspitze machbar.
Zusammenfassung
Beim Schalten von Lasten sind
Schaltlichtbögen ein normales Ereignis. Die unerwünschte Wirkung
auf den Verschleiß - den Kontaktabbrand - kann aber durch die richtige Auswahl des geeigneten Relais
und die an die jeweilige Last angepasste Beschaltung auf ein vertretbares Maß herabgesetzt werden.
Commodity Goes Special
Vom Massenprodukt zum Sonderbauteil
Große und aufwändige elektromechanische Konstruktionen kennzeichnen häufig
das Innenleben von Überlastrelais.
Eng tolerierte Teile und manuelle Justage setzen dem
Streben nach Kostenreduzierung und Materialeinsparung
enge Grenzen.
Hoher Kostendruck auf der einen
und begrenzte Bedarfsstückzahlen
auf der anderen Seite, lassen die
Neuentwicklung von Werkzeugen
und Fertigungseinheiten für die
mechanische Basiseinheit eines
Überlastrelais schnell unrentabel
werden.
Die Lösung des Knotens ist so
einfach wie bestechend: Man verwende ein Massenprodukt als mechanisches Schaltelement.
Eine Produktfamilie, deren Schaltrelais in Jahresstückzahlen von
weit mehr als 70 Mio. Stück hergestellt werden, bietet eine solide
Basis für hohe Qualität.
Wenn eine Modifikation einer
Standardversion möglich ist, hat
man in mehrfacher Hinsicht gewonnen: Man erhält ein zuverlässiges Schaltelement aus vollautomatischer Massenfertigung
„Made in EU“. Größe, Performance und Effizienz sind auf dem
neuesten Stand der Relaistechnik
und die Massenbasis bietet gute
Voraussetzungen für günstige Kosten.
Ein Sonderbauteil auf Basis eines
„Commodity“ ist geboren.
Alle Parameter des Schaltelementes sind im Relais realisiert.
Der Entwickler des Gerätes Überlastrelais kann sich auf die Funktionalität seiner Baugruppe konzentrieren, sich um Funktionen
wie Fern-Reset, Trägheitsklasseneinstellung und Handtaster kümmern. Dafür erhält er in jeder Hinsicht mehr freien Raum.
Das Schaltelement benötigt gegenüber dem diskreten Aufbau
der Mechanik nur noch ein Viertel
des Bauvolumens und kommt mit
der Hälfte der Energie zur Ansteuerung aus.
Der Reihenöffner - beispielsweise für ein Motorschütz - und der
Meldekontakt, ein Schließer, werden direkt vom RT Relais bereitgestellt. Mit einem externen Betätiger kann das bistabile Relais über
einen Gehäuseeingriff manuell
gesetzt werden. Andererseits ist
ein Auto-Reset nach einstellbarer
Zeit, mit in Kondensatoren gespeicherter Energie, möglich.
Der Einsatz eines Relais der RT
Familie in einem elektronischen
Überlastrelais, sowohl elektronisch
ansteuerbar als auch von Hand zu
betätigen, ist ein gutes Beispiel für
eine technische Lösung mit Vorteilen für alle Beteiligten.
Enge Zusammenarbeit zwischen
Kunde und Lieferant, bereits in
der Designphase, bringen unter
dem Strich technischen Fortschritt,
Kostenersparnis und Geschäftszuwachs gleichzeitig.
Wesentlich für eine Optimierung ist
die Kenntnis der erwarteten Beanspruchung, wie Art und Höhe sowie
Häufigkeit der zu schaltenden Last.
Auftretende Probleme in der Anwendung lassen sich oft vermeiden, wenn die Relaisspezifikationen
im Vorfeld mit dem Relaishersteller
abgeklärt werden.
Schmales Leistungsrelais G6DS
mit optimierten Eisenkreis durch neue Press-Biege-Technologie
Markus Bichler
Panasonic Electric Works
Deutschland GmbH
Schmales Relais für SPS: G6DS
Omron’s G6DS Relais wurde
speziell als Ausgangsrelais
für SPS-Steuerungen und
Industriekomponenten entwickelt.
In diesen Anwendungen sind
schmale Bauweise und geringer
Platzbedarf auf der Leiterplatte
wichtig, da meistens mehrere Re-
lais nebeneinander auf engstem
Raum eingebaut werden.
Die schmale Bauweise des Relais
von 5 mm erlaubte nur einen
sehr geringen Wickelraum für die
Spule. Um bei gleichen Abmessungen des Relais (L=20 x B=5 x
H=12,5mm) diesen Wickelraum
zu vergrößern und um die Polflächen des Eisenkreises zu optimieren wurde von der herkömmlichen
Press-Technik auf eine neue PressBiege-Technik umgestellt.
Diese neue Press-Biege-Technik
ermöglichte dem Entwickler, den
Spulenraum zu vergrößern und
damit die Spulenleistung zu verringern (120 oder 180 m Watt).
Ebenso konnte man die Kontaktkräfte optimieren, indem man
durch eine größere Polfläche die
Anzugskräfte der Spule erhöhte.
Hier ein Vergleich der
Press-Techniken:
beiden
Herkömmliche Press-echnik:
Die Polflächen wurden durch
die Dicke des Eisenmaterials bestimmt. Lediglich die Breite (B) der
Polfläche konnte durch Pressen
verändert werden.
Die Dicke (A) wurde durch die Dicke des Basismaterials bestimmt.
War dieses zu dick, wurde der
Spulenwickelraum zu klein.
Neue Press-Biege-Technik:
Durch die neue Press-Biege-Technik konnte auch mit dünnem Eisenmaterial eine große Polfläche
erzeugt werden. Das dünne Eisenmaterial vergrößerte den notwendigen Spulenwickelraum. Durch
das Biegen der Polflächen konnten
die Breite (C) und Länge (D) der
Polfläche vergrößert, und damit
die Anzugskräfte erhöht werden.
Mit den justierbaren Polflächen in
Länge und Breite können die Anzugskräfte und der Platzbedarf für
die Spule wesentlich besser aufeinander abgestimmt werden.
Durch die neue Press-Biege-Technologie konnten die Anforderungen der Kunden an die elektrische Lebensdauer bei geringer
Leistungsaufnahme der Spule und
ohne Veränderung der Relaisabmessungen erfüllt werden.
Heute wird das G6DS Relais mit
einem Schließer (5 A / 250 V AC)
und 120 bzw. 180 mW Spule in
vielen Industrieapplikationen weltweit erfolgreich eingesetzt.
Jürgen Schönauer
Omron Electronic Components
Europe B. V.
Vorhandene Press-Technik
Vorhandene Press-Technik erlaubt es nicht, die
Breite des Eisenkerns zu verringern. In diesem Fall
wird der Wickelraum zu klein.
Neue Press-Biege-Technik
Rainer Eisinger
Tyco Electronics AMP GmbH
Neuer Eisenkern vergrößert den Wickelraum
im gleichen vorhandenen Innenraum. Dadurch
einfaches Erhöhen der Anzugskraft.
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Warum in die Ferne schweifen...?
Werden Sie auch oft gefragt, warum Sie noch im
Herzen Europas produzieren, wo doch asiatische
Standorte so große Vorteile bieten? Unsere Antwort lautet in erster Linie: „Kundennutzen!“
Nähe zum Anwender, Fragen zügig beantworten
und Marktanforderungen kurzfristig in Produkte
umzusetzen, sind dabei ebenso wichtig wie hohe
Produktverfügbarkeit und marktgerechte Preise.
Was als Widerspruch erscheint, entpuppt sich
bei genauerem Hinsehen als Chance.
Technisch ähnliche Produkte basieren - sofern die Qualität den Anspruch tatsächlich widerspiegelt - auf vergleichbaren Materialien. Somit wird die Wettbewerbsfähigkeit in erster Linie durch Engineering,
Produktivität und Logistik determiniert. Dies gilt für viele, im ZVEI-Arbeitskreis Schaltrelais vertretene Unternehmen umso mehr, je höher die
Anforderungen an das Relais sind.
In der Entwicklung, wie auch in der Fertigungstechnik, ist das Engineering Know-how über Generationen in den Unternehmen gewachsen
und tief verwurzelt. In enger Zusammenarbeit mit Kunden entstehen
daraus innovative Produkte. Dies wird gerade bei neuen Herausforderungen wie z. B. spezielle Relais für die alternative Energiegewinnung
oder der Entwicklung energieeffizienter Relais deutlich.
Produktivität wird definiert als der Quotient aus produzierten Ergebnissen und eingesetzten Ressourcen. Die Mitglieder im ZVEI-Arbeitskreis Schaltrelais setzen auf Qualität als „produziertes Ergebnis“. Diese
Qualität ist nur mit einer bestimmten Güte an eingesetzten Ressourcen
zu erreichen. Somit ist die Diskussion um Produktivitätsnachteile in den
deutschsprachigen Ländern differenzierter zu führen.
Ein nicht zu unterschätzender Standortvorteil ist die Logistik. Kurze
Lieferzeiten und hohe Flexibilität werden vorausgesetzt. Ob Einzelversand, Rolling Forecast per EDI oder klassische Abrufaufträge. Hohe
Professionalität muss vom Hersteller gewährleistet werden. Reibungsverluste durch Verspätungen oder unklare Transportzeiten sind für eine
Vollkostenbetrachtung nicht unerheblich.
So sehen wir unsere Standortwahl im Herzen Europas als wichtigen
Erfolgsfaktor und Ansporn zugleich. Nicht zuletzt zeigen viele unserer
Kunden, dass Produktion in Europa lohnenswert ist. Warum also in die
Ferne schweifen….?
Ihr
Geschäftsführer ELESTA relays GmbH
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Ein Beispiel für diese Lösung ist das gie umgesetzt ist. Die Spannung am
JC-Relais von Panasonic Electric Kontakt erhöht sich dabei lediglich
um die Schwellenspannung der DiWorks.
ode. Nebenwirkung ist, dass bei dieDauermagnet
ser Methode die Rückfallzeit der geschalteten Induktivität, zum Beispiel
die Spule eines Relais, Schützes oder
Ventils, um etwa den Faktor 4 bis 5
ansteigt.
Alternativ dazu können auch ZenerDioden, Varistoren (VDR) oder auch
RC-Glieder eingesetzt werden. Der
Einfluss auf die Rückfallzeit ist hier
deutlich geringer.
Geöffnetes JC-Relais
Dieses Bild zeigt einen Schnitt durch
das Gehäuse, deutlich ist der Magnet neben dem sichtbaren der beiden Schließer zu sehen.
Bei Verwendung einer Zener-Diode
(in der Regel mit einer in Reihe geschalteten „normalen“ Diode, um
einen Stromfluss durch die ZenerDiode in deren Flussrichtung zu unSchalttechnische Maßnahmen
terbinden) erhöht sich die Spannung
Neben den konstruktiven Maßnah- am Kontakt um den Wert der Zenermen hält das Elektronik-Einmaleins Spannung. Die Rückfallzeit erhöht
zahlreiche Schaltungstricks bereit, sich um weniger als das Zweifache.
um Schaltlichtbögen zu vermindern
oder gar nicht erst entstehen zu Bei Verwendung eines Varistors erlassen. Es handelt sich dabei um Be- höht sich die Spannung am Kontakt
schaltungen der geschalteten Last. um den Wert der DurchbruchspanAllen Möglichkeiten ist gemeinsam, nung. Die Erhöhung der Rückfallzeit
dass diese Beschaltung so nah wie ist abhängig von der Durchbruchmöglich an der Last anzubringen spannung des Varistors. Die Rückist. Es werden damit unerwünschte fallverzögerung ist im Regelfall verelektromagnetische Abstrahlungen nachlässigbar klein.
minimiert.
Bei Verwendung von RC-Gliedern
Aus der Schaltungstechnik kaum als Schutzbeschaltung ist die opmehr wegzudenken ist die soge- timale Anpassung an die geschaltete Last besonders wichtig. Der
nannte Freilaufdiode.
Diese ist parallel zur induktiven Last Kondensator minimiert die Erhöangeordnet, aber in Sperrrichtung hung der Spannung am Kontakt.
zur geschalteten Stromflussrichtung. Sie wird nur durch den in Reihe mit
Bei angeschalteter Last leitet die Di- dem Kondensator liegenden Widerode nicht. Erst für die Polarität der stand bestimmt. Die Änderung der
Induktionsspannung wird die Diode Erhöhung der Spannung, über die Zeit
in Flussrichtung beansprucht und gesehen, ist abhängig von der Zeitsorgt für einen Stromfluss, bis die konstanten R*C.
in der Induktivität gespeicherte EnerFortsetzung nächste Seite
Martin Kunschert
www.schaltrelais.de
 impressum
Herausgeber: Forum Innovation Deutscher
Schaltrelaishersteller im ZVEI
Auflage: 36.200
Redaktion: K. Dold, E. Kirsch, W. Renardy,
C.- D. Schulz, J. Schönauer, W. Tondasch,
R. Eisinger, Dr. M. Winzenick, J. Steinhäuser
Kontakt: ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.,
Fachabteilung Relais, Lyoner Str. 9,
60596 Frankfurt /Main
Beteiligte Firmen:
E. Dold & Söhne KG,
Finder GmbH
Hengstler GmbH
Panasonic Electric Works Deutschland GmbH
Omron Electronic Components Europe B. V.
Zettler electronics GmbH
Tyco Electronics AMP GmbH
Elesta relays GmbH
Die abgedruckten Daten sind nicht allgemein
verbindlich. Maßgebend sind die spezifischen
Daten der Hersteller.
Beispiele für Schutzbeschaltungen
Einschaltvorgang
Beim Einschalten von kapazitiven
Lasten sowie bei Lampenlast treten
kurzzeitige Stromspitzen auf, die
zu einer punktuell starken Erwärmung der schaltenden Kontakte
führen können.
Das Risiko ist das Verhaken bzw.
Verschweißen der Kontaktstücke.
Diesem Effekt kann durch eine
Anpassung des verwendeten Kontaktmaterials
entgegengewirkt
werden. Reicht dies nicht aus,
gibt es die Möglichkeit, von einem
z. B. mit Wolfram bestückten Kontakt die Stromspitze abzufangen,
um danach auf einen mit gut leitendem silberbasierten Kontaktwerkstoff versehenen Kontakt
umzuschalten (beim Schließen eilt
der mit Wolfram als Kontaktwerkstoff versehene Kontakt dem gut
leitenden Kontakt zeitlich voraus).
Ähnliches ist auch mit einem zeitlich begrenzt wirksamen Vorwiderstand zur Bedämpfung der Stromspitze machbar.
Zusammenfassung
Beim Schalten von Lasten sind
Schaltlichtbögen ein normales Ereignis. Die unerwünschte Wirkung
auf den Verschleiß - den Kontaktabbrand - kann aber durch die richtige Auswahl des geeigneten Relais
und die an die jeweilige Last angepasste Beschaltung auf ein vertretbares Maß herabgesetzt werden.
Commodity Goes Special
Vom Massenprodukt zum Sonderbauteil
Große und aufwändige elektromechanische Konstruktionen kennzeichnen häufig
das Innenleben von Überlastrelais.
Eng tolerierte Teile und manuelle Justage setzen dem
Streben nach Kostenreduzierung und Materialeinsparung
enge Grenzen.
Hoher Kostendruck auf der einen
und begrenzte Bedarfsstückzahlen
auf der anderen Seite, lassen die
Neuentwicklung von Werkzeugen
und Fertigungseinheiten für die
mechanische Basiseinheit eines
Überlastrelais schnell unrentabel
werden.
Die Lösung des Knotens ist so
einfach wie bestechend: Man verwende ein Massenprodukt als mechanisches Schaltelement.
Eine Produktfamilie, deren Schaltrelais in Jahresstückzahlen von
weit mehr als 70 Mio. Stück hergestellt werden, bietet eine solide
Basis für hohe Qualität.
Wenn eine Modifikation einer
Standardversion möglich ist, hat
man in mehrfacher Hinsicht gewonnen: Man erhält ein zuverlässiges Schaltelement aus vollautomatischer Massenfertigung
„Made in EU“. Größe, Performance und Effizienz sind auf dem
neuesten Stand der Relaistechnik
und die Massenbasis bietet gute
Voraussetzungen für günstige Kosten.
Ein Sonderbauteil auf Basis eines
„Commodity“ ist geboren.
Alle Parameter des Schaltelementes sind im Relais realisiert.
Der Entwickler des Gerätes Überlastrelais kann sich auf die Funktionalität seiner Baugruppe konzentrieren, sich um Funktionen
wie Fern-Reset, Trägheitsklasseneinstellung und Handtaster kümmern. Dafür erhält er in jeder Hinsicht mehr freien Raum.
Das Schaltelement benötigt gegenüber dem diskreten Aufbau
der Mechanik nur noch ein Viertel
des Bauvolumens und kommt mit
der Hälfte der Energie zur Ansteuerung aus.
Der Reihenöffner - beispielsweise für ein Motorschütz - und der
Meldekontakt, ein Schließer, werden direkt vom RT Relais bereitgestellt. Mit einem externen Betätiger kann das bistabile Relais über
einen Gehäuseeingriff manuell
gesetzt werden. Andererseits ist
ein Auto-Reset nach einstellbarer
Zeit, mit in Kondensatoren gespeicherter Energie, möglich.
Der Einsatz eines Relais der RT
Familie in einem elektronischen
Überlastrelais, sowohl elektronisch
ansteuerbar als auch von Hand zu
betätigen, ist ein gutes Beispiel für
eine technische Lösung mit Vorteilen für alle Beteiligten.
Enge Zusammenarbeit zwischen
Kunde und Lieferant, bereits in
der Designphase, bringen unter
dem Strich technischen Fortschritt,
Kostenersparnis und Geschäftszuwachs gleichzeitig.
Wesentlich für eine Optimierung ist
die Kenntnis der erwarteten Beanspruchung, wie Art und Höhe sowie
Häufigkeit der zu schaltenden Last.
Auftretende Probleme in der Anwendung lassen sich oft vermeiden, wenn die Relaisspezifikationen
im Vorfeld mit dem Relaishersteller
abgeklärt werden.
Schmales Leistungsrelais G6DS
mit optimierten Eisenkreis durch neue Press-Biege-Technologie
Markus Bichler
Panasonic Electric Works
Deutschland GmbH
Schmales Relais für SPS: G6DS
Omron’s G6DS Relais wurde
speziell als Ausgangsrelais
für SPS-Steuerungen und
Industriekomponenten entwickelt.
In diesen Anwendungen sind
schmale Bauweise und geringer
Platzbedarf auf der Leiterplatte
wichtig, da meistens mehrere Re-
lais nebeneinander auf engstem
Raum eingebaut werden.
Die schmale Bauweise des Relais
von 5 mm erlaubte nur einen
sehr geringen Wickelraum für die
Spule. Um bei gleichen Abmessungen des Relais (L=20 x B=5 x
H=12,5mm) diesen Wickelraum
zu vergrößern und um die Polflächen des Eisenkreises zu optimieren wurde von der herkömmlichen
Press-Technik auf eine neue PressBiege-Technik umgestellt.
Diese neue Press-Biege-Technik
ermöglichte dem Entwickler, den
Spulenraum zu vergrößern und
damit die Spulenleistung zu verringern (120 oder 180 m Watt).
Ebenso konnte man die Kontaktkräfte optimieren, indem man
durch eine größere Polfläche die
Anzugskräfte der Spule erhöhte.
Hier ein Vergleich der
Press-Techniken:
beiden
Herkömmliche Press-echnik:
Die Polflächen wurden durch
die Dicke des Eisenmaterials bestimmt. Lediglich die Breite (B) der
Polfläche konnte durch Pressen
verändert werden.
Die Dicke (A) wurde durch die Dicke des Basismaterials bestimmt.
War dieses zu dick, wurde der
Spulenwickelraum zu klein.
Neue Press-Biege-Technik:
Durch die neue Press-Biege-Technik konnte auch mit dünnem Eisenmaterial eine große Polfläche
erzeugt werden. Das dünne Eisenmaterial vergrößerte den notwendigen Spulenwickelraum. Durch
das Biegen der Polflächen konnten
die Breite (C) und Länge (D) der
Polfläche vergrößert, und damit
die Anzugskräfte erhöht werden.
Mit den justierbaren Polflächen in
Länge und Breite können die Anzugskräfte und der Platzbedarf für
die Spule wesentlich besser aufeinander abgestimmt werden.
Durch die neue Press-Biege-Technologie konnten die Anforderungen der Kunden an die elektrische Lebensdauer bei geringer
Leistungsaufnahme der Spule und
ohne Veränderung der Relaisabmessungen erfüllt werden.
Heute wird das G6DS Relais mit
einem Schließer (5 A / 250 V AC)
und 120 bzw. 180 mW Spule in
vielen Industrieapplikationen weltweit erfolgreich eingesetzt.
Jürgen Schönauer
Omron Electronic Components
Europe B. V.
Vorhandene Press-Technik
Vorhandene Press-Technik erlaubt es nicht, die
Breite des Eisenkerns zu verringern. In diesem Fall
wird der Wickelraum zu klein.
Neue Press-Biege-Technik
Rainer Eisinger
Tyco Electronics AMP GmbH
Neuer Eisenkern vergrößert den Wickelraum
im gleichen vorhandenen Innenraum. Dadurch
einfaches Erhöhen der Anzugskraft.
www.schaltrelais.de
Warum in die Ferne schweifen...?
Werden Sie auch oft gefragt, warum Sie noch im
Herzen Europas produzieren, wo doch asiatische
Standorte so große Vorteile bieten? Unsere Antwort lautet in erster Linie: „Kundennutzen!“
Nähe zum Anwender, Fragen zügig beantworten
und Marktanforderungen kurzfristig in Produkte
umzusetzen, sind dabei ebenso wichtig wie hohe
Produktverfügbarkeit und marktgerechte Preise.
Was als Widerspruch erscheint, entpuppt sich
bei genauerem Hinsehen als Chance.
Technisch ähnliche Produkte basieren - sofern die Qualität den Anspruch tatsächlich widerspiegelt - auf vergleichbaren Materialien. Somit wird die Wettbewerbsfähigkeit in erster Linie durch Engineering,
Produktivität und Logistik determiniert. Dies gilt für viele, im ZVEI-Arbeitskreis Schaltrelais vertretene Unternehmen umso mehr, je höher die
Anforderungen an das Relais sind.
In der Entwicklung, wie auch in der Fertigungstechnik, ist das Engineering Know-how über Generationen in den Unternehmen gewachsen
und tief verwurzelt. In enger Zusammenarbeit mit Kunden entstehen
daraus innovative Produkte. Dies wird gerade bei neuen Herausforderungen wie z. B. spezielle Relais für die alternative Energiegewinnung
oder der Entwicklung energieeffizienter Relais deutlich.
Produktivität wird definiert als der Quotient aus produzierten Ergebnissen und eingesetzten Ressourcen. Die Mitglieder im ZVEI-Arbeitskreis Schaltrelais setzen auf Qualität als „produziertes Ergebnis“. Diese
Qualität ist nur mit einer bestimmten Güte an eingesetzten Ressourcen
zu erreichen. Somit ist die Diskussion um Produktivitätsnachteile in den
deutschsprachigen Ländern differenzierter zu führen.
Ein nicht zu unterschätzender Standortvorteil ist die Logistik. Kurze
Lieferzeiten und hohe Flexibilität werden vorausgesetzt. Ob Einzelversand, Rolling Forecast per EDI oder klassische Abrufaufträge. Hohe
Professionalität muss vom Hersteller gewährleistet werden. Reibungsverluste durch Verspätungen oder unklare Transportzeiten sind für eine
Vollkostenbetrachtung nicht unerheblich.
So sehen wir unsere Standortwahl im Herzen Europas als wichtigen
Erfolgsfaktor und Ansporn zugleich. Nicht zuletzt zeigen viele unserer
Kunden, dass Produktion in Europa lohnenswert ist. Warum also in die
Ferne schweifen….?
Ihr
Geschäftsführer ELESTA relays GmbH
www.schaltrelais.de
Fortsetzung von Seite 1
Ein Beispiel für diese Lösung ist das gie umgesetzt ist. Die Spannung am
JC-Relais von Panasonic Electric Kontakt erhöht sich dabei lediglich
um die Schwellenspannung der DiWorks.
ode. Nebenwirkung ist, dass bei dieDauermagnet
ser Methode die Rückfallzeit der geschalteten Induktivität, zum Beispiel
die Spule eines Relais, Schützes oder
Ventils, um etwa den Faktor 4 bis 5
ansteigt.
Alternativ dazu können auch ZenerDioden, Varistoren (VDR) oder auch
RC-Glieder eingesetzt werden. Der
Einfluss auf die Rückfallzeit ist hier
deutlich geringer.
Geöffnetes JC-Relais
Dieses Bild zeigt einen Schnitt durch
das Gehäuse, deutlich ist der Magnet neben dem sichtbaren der beiden Schließer zu sehen.
Bei Verwendung einer Zener-Diode
(in der Regel mit einer in Reihe geschalteten „normalen“ Diode, um
einen Stromfluss durch die ZenerDiode in deren Flussrichtung zu unSchalttechnische Maßnahmen
terbinden) erhöht sich die Spannung
Neben den konstruktiven Maßnah- am Kontakt um den Wert der Zenermen hält das Elektronik-Einmaleins Spannung. Die Rückfallzeit erhöht
zahlreiche Schaltungstricks bereit, sich um weniger als das Zweifache.
um Schaltlichtbögen zu vermindern
oder gar nicht erst entstehen zu Bei Verwendung eines Varistors erlassen. Es handelt sich dabei um Be- höht sich die Spannung am Kontakt
schaltungen der geschalteten Last. um den Wert der DurchbruchspanAllen Möglichkeiten ist gemeinsam, nung. Die Erhöhung der Rückfallzeit
dass diese Beschaltung so nah wie ist abhängig von der Durchbruchmöglich an der Last anzubringen spannung des Varistors. Die Rückist. Es werden damit unerwünschte fallverzögerung ist im Regelfall verelektromagnetische Abstrahlungen nachlässigbar klein.
minimiert.
Bei Verwendung von RC-Gliedern
Aus der Schaltungstechnik kaum als Schutzbeschaltung ist die opmehr wegzudenken ist die soge- timale Anpassung an die geschaltete Last besonders wichtig. Der
nannte Freilaufdiode.
Diese ist parallel zur induktiven Last Kondensator minimiert die Erhöangeordnet, aber in Sperrrichtung hung der Spannung am Kontakt.
zur geschalteten Stromflussrichtung. Sie wird nur durch den in Reihe mit
Bei angeschalteter Last leitet die Di- dem Kondensator liegenden Widerode nicht. Erst für die Polarität der stand bestimmt. Die Änderung der
Induktionsspannung wird die Diode Erhöhung der Spannung, über die Zeit
in Flussrichtung beansprucht und gesehen, ist abhängig von der Zeitsorgt für einen Stromfluss, bis die konstanten R*C.
in der Induktivität gespeicherte EnerFortsetzung nächste Seite
Martin Kunschert
www.schaltrelais.de
 impressum
Herausgeber: Forum Innovation Deutscher
Schaltrelaishersteller im ZVEI
Auflage: 36.200
Redaktion: K. Dold, E. Kirsch, W. Renardy,
C.- D. Schulz, J. Schönauer, W. Tondasch,
R. Eisinger, Dr. M. Winzenick, J. Steinhäuser
Kontakt: ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.,
Fachabteilung Relais, Lyoner Str. 9,
60596 Frankfurt /Main
Beteiligte Firmen:
E. Dold & Söhne KG,
Finder GmbH
Hengstler GmbH
Panasonic Electric Works Deutschland GmbH
Omron Electronic Components Europe B. V.
Zettler electronics GmbH
Tyco Electronics AMP GmbH
Elesta relays GmbH
Die abgedruckten Daten sind nicht allgemein
verbindlich. Maßgebend sind die spezifischen
Daten der Hersteller.
Beispiele für Schutzbeschaltungen
Einschaltvorgang
Beim Einschalten von kapazitiven
Lasten sowie bei Lampenlast treten
kurzzeitige Stromspitzen auf, die
zu einer punktuell starken Erwärmung der schaltenden Kontakte
führen können.
Das Risiko ist das Verhaken bzw.
Verschweißen der Kontaktstücke.
Diesem Effekt kann durch eine
Anpassung des verwendeten Kontaktmaterials
entgegengewirkt
werden. Reicht dies nicht aus,
gibt es die Möglichkeit, von einem
z. B. mit Wolfram bestückten Kontakt die Stromspitze abzufangen,
um danach auf einen mit gut leitendem silberbasierten Kontaktwerkstoff versehenen Kontakt
umzuschalten (beim Schließen eilt
der mit Wolfram als Kontaktwerkstoff versehene Kontakt dem gut
leitenden Kontakt zeitlich voraus).
Ähnliches ist auch mit einem zeitlich begrenzt wirksamen Vorwiderstand zur Bedämpfung der Stromspitze machbar.
Zusammenfassung
Beim Schalten von Lasten sind
Schaltlichtbögen ein normales Ereignis. Die unerwünschte Wirkung
auf den Verschleiß - den Kontaktabbrand - kann aber durch die richtige Auswahl des geeigneten Relais
und die an die jeweilige Last angepasste Beschaltung auf ein vertretbares Maß herabgesetzt werden.
Commodity Goes Special
Vom Massenprodukt zum Sonderbauteil
Große und aufwändige elektromechanische Konstruktionen kennzeichnen häufig
das Innenleben von Überlastrelais.
Eng tolerierte Teile und manuelle Justage setzen dem
Streben nach Kostenreduzierung und Materialeinsparung
enge Grenzen.
Hoher Kostendruck auf der einen
und begrenzte Bedarfsstückzahlen
auf der anderen Seite, lassen die
Neuentwicklung von Werkzeugen
und Fertigungseinheiten für die
mechanische Basiseinheit eines
Überlastrelais schnell unrentabel
werden.
Die Lösung des Knotens ist so
einfach wie bestechend: Man verwende ein Massenprodukt als mechanisches Schaltelement.
Eine Produktfamilie, deren Schaltrelais in Jahresstückzahlen von
weit mehr als 70 Mio. Stück hergestellt werden, bietet eine solide
Basis für hohe Qualität.
Wenn eine Modifikation einer
Standardversion möglich ist, hat
man in mehrfacher Hinsicht gewonnen: Man erhält ein zuverlässiges Schaltelement aus vollautomatischer Massenfertigung
„Made in EU“. Größe, Performance und Effizienz sind auf dem
neuesten Stand der Relaistechnik
und die Massenbasis bietet gute
Voraussetzungen für günstige Kosten.
Ein Sonderbauteil auf Basis eines
„Commodity“ ist geboren.
Alle Parameter des Schaltelementes sind im Relais realisiert.
Der Entwickler des Gerätes Überlastrelais kann sich auf die Funktionalität seiner Baugruppe konzentrieren, sich um Funktionen
wie Fern-Reset, Trägheitsklasseneinstellung und Handtaster kümmern. Dafür erhält er in jeder Hinsicht mehr freien Raum.
Das Schaltelement benötigt gegenüber dem diskreten Aufbau
der Mechanik nur noch ein Viertel
des Bauvolumens und kommt mit
der Hälfte der Energie zur Ansteuerung aus.
Der Reihenöffner - beispielsweise für ein Motorschütz - und der
Meldekontakt, ein Schließer, werden direkt vom RT Relais bereitgestellt. Mit einem externen Betätiger kann das bistabile Relais über
einen Gehäuseeingriff manuell
gesetzt werden. Andererseits ist
ein Auto-Reset nach einstellbarer
Zeit, mit in Kondensatoren gespeicherter Energie, möglich.
Der Einsatz eines Relais der RT
Familie in einem elektronischen
Überlastrelais, sowohl elektronisch
ansteuerbar als auch von Hand zu
betätigen, ist ein gutes Beispiel für
eine technische Lösung mit Vorteilen für alle Beteiligten.
Enge Zusammenarbeit zwischen
Kunde und Lieferant, bereits in
der Designphase, bringen unter
dem Strich technischen Fortschritt,
Kostenersparnis und Geschäftszuwachs gleichzeitig.
Wesentlich für eine Optimierung ist
die Kenntnis der erwarteten Beanspruchung, wie Art und Höhe sowie
Häufigkeit der zu schaltenden Last.
Auftretende Probleme in der Anwendung lassen sich oft vermeiden, wenn die Relaisspezifikationen
im Vorfeld mit dem Relaishersteller
abgeklärt werden.
Schmales Leistungsrelais G6DS
mit optimierten Eisenkreis durch neue Press-Biege-Technologie
Markus Bichler
Panasonic Electric Works
Deutschland GmbH
Schmales Relais für SPS: G6DS
Omron’s G6DS Relais wurde
speziell als Ausgangsrelais
für SPS-Steuerungen und
Industriekomponenten entwickelt.
In diesen Anwendungen sind
schmale Bauweise und geringer
Platzbedarf auf der Leiterplatte
wichtig, da meistens mehrere Re-
lais nebeneinander auf engstem
Raum eingebaut werden.
Die schmale Bauweise des Relais
von 5 mm erlaubte nur einen
sehr geringen Wickelraum für die
Spule. Um bei gleichen Abmessungen des Relais (L=20 x B=5 x
H=12,5mm) diesen Wickelraum
zu vergrößern und um die Polflächen des Eisenkreises zu optimieren wurde von der herkömmlichen
Press-Technik auf eine neue PressBiege-Technik umgestellt.
Diese neue Press-Biege-Technik
ermöglichte dem Entwickler, den
Spulenraum zu vergrößern und
damit die Spulenleistung zu verringern (120 oder 180 m Watt).
Ebenso konnte man die Kontaktkräfte optimieren, indem man
durch eine größere Polfläche die
Anzugskräfte der Spule erhöhte.
Hier ein Vergleich der
Press-Techniken:
beiden
Herkömmliche Press-echnik:
Die Polflächen wurden durch
die Dicke des Eisenmaterials bestimmt. Lediglich die Breite (B) der
Polfläche konnte durch Pressen
verändert werden.
Die Dicke (A) wurde durch die Dicke des Basismaterials bestimmt.
War dieses zu dick, wurde der
Spulenwickelraum zu klein.
Neue Press-Biege-Technik:
Durch die neue Press-Biege-Technik konnte auch mit dünnem Eisenmaterial eine große Polfläche
erzeugt werden. Das dünne Eisenmaterial vergrößerte den notwendigen Spulenwickelraum. Durch
das Biegen der Polflächen konnten
die Breite (C) und Länge (D) der
Polfläche vergrößert, und damit
die Anzugskräfte erhöht werden.
Mit den justierbaren Polflächen in
Länge und Breite können die Anzugskräfte und der Platzbedarf für
die Spule wesentlich besser aufeinander abgestimmt werden.
Durch die neue Press-Biege-Technologie konnten die Anforderungen der Kunden an die elektrische Lebensdauer bei geringer
Leistungsaufnahme der Spule und
ohne Veränderung der Relaisabmessungen erfüllt werden.
Heute wird das G6DS Relais mit
einem Schließer (5 A / 250 V AC)
und 120 bzw. 180 mW Spule in
vielen Industrieapplikationen weltweit erfolgreich eingesetzt.
Jürgen Schönauer
Omron Electronic Components
Europe B. V.
Vorhandene Press-Technik
Vorhandene Press-Technik erlaubt es nicht, die
Breite des Eisenkerns zu verringern. In diesem Fall
wird der Wickelraum zu klein.
Neue Press-Biege-Technik
Rainer Eisinger
Tyco Electronics AMP GmbH
Neuer Eisenkern vergrößert den Wickelraum
im gleichen vorhandenen Innenraum. Dadurch
einfaches Erhöhen der Anzugskraft.
www.schaltrelais.de
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Ausgabe Nov. 2008
Funktionale Sicherheit mit Relais
100 % Verfügbarkeit ist
Utopie; reale Verfügbarkeit
ist stets kleiner 100 %. Die
Differenz ist das Fenster für
den Eintritt eines Ausfalls,
das Restrisiko. Der Zeitpunkt
eines Ausfalls ist nicht bekannt, er kann jederzeit
sein.
Mit einer geeigneten Struktur des
Geräteaufbaus und unter Beachtung sogenannter Sicherheitsprinzipien lässt sich nach Eintritt eines
Ausfalls eine sicherheitskritische
Wirkung in Systemen unabhängig
vom Zeitpunkt verhindern.
Die Bewertung einer Sicherheitsfunktion ist nicht nur von der Qualität und der Funktionsweise der
verwendeten Bauelemente abhängig, d. h. von ihren sicherheitstechnisch kritischen Kennwerten, sondern insbesondere auch von der zu
Grunde liegenden Schaltung mit
ihrer Struktur und Bemessung.
Warum neue Kennwerte?
Um sicherheitsgerichtete Funktionen bewerten zu können, bedient
man sich wahrscheinlichkeitsbasierter (probabilistischer) mathematischer Bewertungsmodelle.
Eine mathematisch exakte Berechnung ist nicht möglich, aber eine
qualifizierte Abschätzung.
Dieser Vorgang muss nachvollziehbar und damit durchschaubar
sein. Dies erfordert Daten, deren
Zustandekommen, d. h. deren Basis, ebenfalls nachvollziehbar und
durchschaubar ist. Werden Daten
mit unbekannter Basis verwendet, kann auch das Ergebnis nur
etwas Unbekanntes sein, letztlich
subjektiv.
Eine wahrscheinlichkeitsbasierte
Methode der Bewertung ist durch
die Verwendung elektronischer
Bauelemente im Zusammenhang
mit funktionaler Sicherheit erforderlich geworden. Elektronischen
Bauelementen unterstellt man ein
typisch zeitabhängiges Ausfallverhalten über ihre Lebensdauer.
FUNKTIONALE SICHERHEIT
GRUNDLEGENDE SICHERHEITSPRINZIPIEN
Teil der Gesamtsicherheit, bezogen auf das
System, die von der korrekten Funktion des
sicherheitsbezogenen Systems und externen
Einrichtungen zur Risikominderung abhängt.
[IEC EN 61508-4:2002,
Abschn. 3.1.9 mod., IEC EN 62061]
Das sogenannte Ruhestromprinzip wird in
der ISO DIN EN 13849-2, Tabelle D.1, neben
weiteren grundlegenden Sicherheitsprinzipien, als grundlegendes Sicherheitsprinzip
zur Energietrennung aufgeführt. Dieses und
die weiteren sind bei Sicherheitsbauteilen
stets anzuwenden. Daneben sind auch die
bewährten Sicherheitsprinzipien zu beachten.
ANMERKUNG: Diese Bedingung schließt
Fehlertoleranz, Fehlererkennung (Diagnosefähigkeit) ein.
Dies ist in der Regel bei mechanischen Bauelementen nicht zu
erwarten.
Die Lebensdauer ist typisch von der
in der Anwendung auftretenden
Beanspruchung abhängig (Höhe,
Art und Häufigkeit) und nicht direkt von einer Zeit.
Es muss demzufolge die Möglichkeit einer Transformation der Daten eröffnet werden, welche die
Höhe, Art und Häufigkeit beinhalten.
Die in der Anwendung erwartete
Beanspruchung muss in Verbindung mit der möglichen Beanspruchbarkeit (in Schaltspielen) in
eine Zeit umgerechnet werden.
Die benötigten Kennwerte sind am
aktuellen Bauelement zu ermitteln,
damit liegt dann der aktuelle Stand
von Technik und Technologie der
verwendeten Elementarrelais zu
Grunde.
Wie bieten Elementarrelais funktionale Sicherheit?
Zur Klarstellung sei festgehalten,
dass auch das Bauelement Elementarrelais (wie alle anderen) für
sich betrachtet, keine Sicherheitsfunktion und damit auch keine
funktionale Sicherheit darstellt.
Funktionale Sicherheit ist zwar
hochwertig machbar, aber erst
durch die richtige Nutzung der
angebotenen Eigenschaften in
Verbindung mit einer entsprechenden Schaltung. Bei dieser sind
dann auch Sicherheitsprinzipien
zu berücksichtigen, wie z. B. das
sogenannte
Ruhestromprinzip
1
[ISO DIN EN 13849-2 ].
Daraus ergibt es sich, dass typisch
das Öffnungsversagen von Kontakten eine sicherheitskritische Bedeutung hat.
Fortsetzung Funktionale Sicherheit mit Relais
von Sicherheitsbauteilen, in denen
Elementarrelais verwendet werden, ist damit möglich.
SICHERHEITSBAUTEIL
Teil eines Steuerungssystems mit Sicherheitsfunktion
ANMERKUNG: Ein Sicherheitsbauteil ist kein
Bauelement.
4
Dieser B10-Wert (CTF10 ), kann in
eine für die Bewertung erforderFür den Anwender bietet sich das
5
liche Zeit (TTF10 ) umgerechnet
Elementarrelais als „Black Box“ an.
werden. Es besteht nachstehende
Für ihn zeigt sich ein Ausfall durch
Beziehung:
ein Kontaktversagen. Ein Kontakt
zeigt sich funktional als geschlosB
TTF10 = 10
nop
sen, obwohl er geöffnet sein sollte
Anzahl Schaltspiele
(Öffnungsversagen) bzw. als ge- [Jahre =
]
Anzahl Schaltspiele in der
öffnet, obwohl er als geschlossen
Anwendung pro Jahr
erwartet wird (Schließversagen).
Das Prinzip Zwangsöffnung ist Das Bewertungsergebnis liefert
bei Relais nicht umsetzbar. Diese eine Angabe zur Verfügbarkeit, die
Ausfälle von Kontakten sind nicht aber nicht zwingend mit der Zuverausschließbar, es muss mit ihnen lässigkeit der Sicherheitsfunktion
gerechnet werden. Ausschließbar gleichzusetzen ist. Speziell für Beist nur das gleichzeitige Öff- wertungen zur Zuverlässigkeit der
nungsversagen von Schließern Sicherheitsfunktion ist der sicherund Öffnern bei Elementarrelais heitskritische Ausfall zu definieren.
mit zwangsgeführten Kontakten, Dies ist meistens das Öffnungsver2
die entsprechend DIN EN 50205 sagen am Schließer. Der zugeordnete B10-Wert heißt dann B10d (d =
gebaut sind.
dangerous). Die Ermittlung dieses
Kennwertes ist ebenfalls in der
Daten für die Bewertung
PAS-IEC 61810-2-1 beschrieben.
Das Ende der Lebensdauer ist
durch ein Öffnungs- bzw. SchließB10d
TTF10d =
versagen gegeben. Dabei ist das
nop
Öffnungsversagen von Schließern
Anzahl Schaltspiele
]
das typisch sicherheitskritische Kri- [Jahre =
Anzahl Schaltspiele in der
Anwendung pro Jahr
terium.
Die Lebensdauer charakterisierenBei Anwendung geeigneter Schalde Kenngröße ist der sogenannte
tungstechnik erleidet auch bei
B10-Wert in Anzahl Schaltspiele.
einem Ausfall des als kritisch definierten Kontaktes das SicherheitsANMERKUNG:
B10 ist die statistisch mittels der Wei- bauteil keinen Verlust der Sicherbull-Verteilung festgestellte Anzahl der heitsfunktion. Der entstandene
Schaltspiele bis zum Ausfall von 10 %
Verfügbarkeitsverlust kennzeichdes Testloses. Dieser statistische Wert
ist nicht gleich dem, wenn aus dem Los net dann das Ende der Funktionsvon zehn Probanden der Erste ausge- dauer, aber nicht den Verlust der
fallen ist. Er ergibt sich vielmehr über Sicherheitsfunktion
(Gebrauchsdie Ausgleichsgerade der Verteilung.
dauer).
Hier sind normative Anforderungen
hilfreich, denn nur standardisierte
Testbedingungen lassen eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu.
3
Mit der PAS-IEC 61810-2-1 besteht jetzt diese Voraussetzung.
Die damit ermittelten Kennwerte
sind nachvollziehbar und vergleichbar. Eine qualifizierte Abschätzung
ANMERKUNG:
Leider
kennt
derzeit
die
ISO DIN EN 13849-1 den Begriff Funktionsdauer nicht, sondern nur die
Gebrauchsdauer. Damit ist die klare
Unterscheidung und die differenzierte
Bewertung dieser beiden Arten von Lebensdauer erschwert.
Fortsetzung nächste Seite
Die weitere Vorgehensweise für
die Bewertung der Sicherheitsfunktion des Sicherheitsbauteiles
ist in den entsprechenden Anwendernormen beschrieben.
Normen
Die international geschaffene
und verabschiedete Spezifikation
1
2
3
4
ISO DIN EN 13849-2
PAS-IEC 61810-2-1 steht im Zusammenhang mit der Grundnorm
6
IEC DIN EN 61810-1 und der
7
IEC DIN EN 61810-2 .
Schlussbemerkung
Das hier angesprochene Thema ist
komplex und damit besonders erklärungsbedürftig.
Sicherheit von Maschinen
Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen
Teil 2: Validierung
DIN EN 50205
Relais mit (mechanisch) zwangsgeführten
Kontakten
PAS
PAS-IEC 61810-2-1
Publicly Available Specification
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 2-1: Funktionsfähigkeit
Verifizierung von B10-Werten
CTF
Cycle To Failure
Es stellt insbesondere auch an den
Entwickler von Sicherheitsbauteilen neue Anforderungen. Elementarrelais bieten Eigenschaften,
welche den verschiedensten Ansprüchen gerecht werden können,
8
wie z. B. in Systemen für SIL (SIL9
CL) 1 bis 4 oder bis zu einem PLe .
5
6
7
8
9
In der hier nur möglichen Kürze
sollte auf einige wesentliche elementare Aspekte hingewiesen
werden.
Eberhard Kirsch
Hengstler GmbH
TTF
Time To Failure
IEC DIN EN 61810-1
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 1: Allgemeine Anforderungen
IEC DIN EN 61810-2
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 2: Funktionsfähigkeit (Zuverlässigkeit)
Hinweis: Ersatz für IEC DIN EN 60255-23
SIL (SILCL)
Safety Integrity Level (Safety Intergrity Level Claim) 1 bis 3;
IEC DIN EN 62061
PL
Performance Level a bis e;
ISO DIN EN 13849-1
Gastbeitrag:
Mit Relais zur Leistungsspitze
Brennpunkt: Lebensdauer von Relais
Relais in elektronischen Wendeschützen
Schaltlichtbogen bei DC-Lasten
Phoenix Contact ist führender Hersteller von Komponenten und Systemen für
die gesamte Automatisierungstechnik. Die Produktlinie Digital Interface entwickelt und liefert innovative
Relais- und SSR-Interfaces
als Schnittstellen zwischen
Steuerungs- und Feldebene.
Mal ganz ehrlich, wenn die Zielformulierung für ein Interfaceprodukt lautet:
hohe Lebensdauer
■ große Platzersparnis
■ galvanische Trennung
■ Störunempfindlichkeit
■ geringe Verlustleistung
■ attraktiver Preis
■ Sicherheitskategorie 3 bzw. SIL3
■
Sehen Sie dann sofort ein elektromechanisches Relais als Bestandteil dieses Produktes vor sich?
Selbstverständlich! Vielleicht nicht
allein, aber in Symbiose mit an-
deren Komponenten entsteht ein
unschlagbares Team, das mit intelligenter Hybridtechnologie die
Vorteile/Stärken von ausgereifter
Relaistechnik und verschleißfreier
Halbleitertechnik kombiniert und
deren Schwächen eliminiert.
Die Zielformulierung ist nicht aus
der Luft gegriffen, sondern stand
als konkrete Anforderung zur Realisierung an.
Die Applikation: Zuverlässiges
Schalten, Reversieren und Schützen von Motoren bis 4 kW.
Wie also macht man so etwas
aktuell und wie könnte man es
künftig besser machen?
Die klassische Antriebssteuerung
für einen Motor besteht bisher aus
vier Grundbestandteilen: Rechtsschütz, Linksschütz, Motorschütz
und Not-Aus-Schütz(en). In der
Leistungsklasse bis 4 kW bedeutet
dies eine Baubreite von minimal
90 mm bis maximal 180 mm auf
der Tragschiene.
In Zukunft erledigt das „RelaisTeam“ im CONTACTRON-Halbleiterschütz „4 in 1“ dies auf
22,5 mm Baubreite. Alle vier
Hauptfunktionen sind dabei zu einer Einheit zusammengewachsen.
Damit entfällt auch die aufwendige
und fehlerträchtige Verdrahtungsarbeit. Die hohe Leistungsdichte
der Relais, also hohe Dauerströ-
me bei geringer Verlustleistung
[= geringe Erwärmung], das
verschleißfreie Schalten der Halbleiter [= Übernahme der Einund Ausschaltbelastung] und
das intelligente Management beider durch einen Mikrocontroller
[= Zeit-/Kontaktmanagement
und redundante Sicherheit],
verleiht der Einheit zusätzlich
noch eine mindestens zehnfache
Lebensdauer.
Dank der geringen Verlustleistung
der Relaiskontakte ist kein Kühlkörper notwendig und das Bauvolumen wird deutlich reduziert.
Damit gelingt es dem Relais erneut
seine Leistungsfähigkeit unter Beweis zu stellen und als Teamplayer
mit individuell einzigartigen Eigenschaften das Gesamtergebnis
maßgeblich positiv zu beeinflussen.
Frank Herden
Phoenix Contact Electronics GmbH
Die Lebensdauer von elektromechanischen Relais wird von
Kontaktabbränden - verursacht
durch Schaltlichtbögen - wesentlich beeinflusst.
Die Physik der Schaltlichtbögen mit ihren sehr differenzierten Zusammenhängen und Wirkungen im Detail soll hier
nicht näher erläutert werden.
Für die Beherrschung in der Anwendung mittels Schaltungstechnik reicht
Durch eine geeignete Relaiskonstrukin der Regel die Kenntnis des Auftretion und vor allem aber durch eine
tens als solches aus.
Schaltungstechnik, die der geschalteten Last angepasst ist, kann dieser
unerwünschte Einfluss gemindert Konstruktive Maßnahmen
oder gar nahezu aufgehoben werDie spezielle konstruktive Auslegung
den.
des verwendeten Relais sowie die verwendeten Werkstoffe bieten für den
Einsatz grundlegende Eigenschaften.
Hinzu kommen die Stabilität und das
Niveau der Fertigungsqualität.
Dieses Bild zeigt einen grün schimmernden Schaltlichtbogen beim Abschalten einer Induktivität. Die Ausprägung wird durch die Höhe und Art der
geschalteten Last bestimmt.
Der Materialeinsatz für die Kontaktstücke und deren Formgebung
spielen eine wichtige Rolle. Kontaktstücke, welche mittels einer guten
Vernietung (Fertigungsqualität) mit
den Zuleitungen verbunden sind, verfügen nicht nur über eine gute Stromtragfähigkeit, sondern können auch
die entstehende Wärme besser vom dass die Magnetfeldlinien im WinKontaktstück wegleiten. Der Kon- kel von 90° zur Stromflussrichtung
taktabbrand durch Schaltlichtbögen liegen.
wird vermindert.
Fortsetzung auf Seite 2
Auf die Auswahl des Kontaktmaterials ist zu achten. Verbundwerkstoffe
z. B. aus Silber und Nickel oder Silber
und Zinndioxid bieten eine höhere
Abbrandfestigkeit und geringere
Verschweißneigung gegenüber einfachen Silberlegierungen.
Nachteil ist sicher der höhere Preis für
Materialeinsatz und Fertigung.
Low-Cost-Anbieter setzen am Materialeinsatz und auch bei der gefertigten
Qualität gerne die Kostenschraube
an.
Eine weitere Möglichkeit, dem Kontaktabbrand entgegen zu wirken, ist
der Einsatz eines Blasmagneten.
Hierbei lenkt ein Dauermagnet den
Lichtbogen ab und begünstigt so seine Löschung.
Der Magnet muss so angebracht sein,
In dieser Ausgabe
 Schaltlichtbogen bei DC-Lasten
 Commodity Goes Special
 Schmales Leistungsrelais G6DS
 Funktionale Sicherheit
mit Relais
 Gastbeitrag:
Relais in elektronischen
Wendeschützen
www.schaltrelais.de
www.schaltrelais.de
www.schaltrelais.de
Ausgabe Nov. 2008
Funktionale Sicherheit mit Relais
100 % Verfügbarkeit ist
Utopie; reale Verfügbarkeit
ist stets kleiner 100 %. Die
Differenz ist das Fenster für
den Eintritt eines Ausfalls,
das Restrisiko. Der Zeitpunkt
eines Ausfalls ist nicht bekannt, er kann jederzeit
sein.
Mit einer geeigneten Struktur des
Geräteaufbaus und unter Beachtung sogenannter Sicherheitsprinzipien lässt sich nach Eintritt eines
Ausfalls eine sicherheitskritische
Wirkung in Systemen unabhängig
vom Zeitpunkt verhindern.
Die Bewertung einer Sicherheitsfunktion ist nicht nur von der Qualität und der Funktionsweise der
verwendeten Bauelemente abhängig, d. h. von ihren sicherheitstechnisch kritischen Kennwerten, sondern insbesondere auch von der zu
Grunde liegenden Schaltung mit
ihrer Struktur und Bemessung.
Warum neue Kennwerte?
Um sicherheitsgerichtete Funktionen bewerten zu können, bedient
man sich wahrscheinlichkeitsbasierter (probabilistischer) mathematischer Bewertungsmodelle.
Eine mathematisch exakte Berechnung ist nicht möglich, aber eine
qualifizierte Abschätzung.
Dieser Vorgang muss nachvollziehbar und damit durchschaubar
sein. Dies erfordert Daten, deren
Zustandekommen, d. h. deren Basis, ebenfalls nachvollziehbar und
durchschaubar ist. Werden Daten
mit unbekannter Basis verwendet, kann auch das Ergebnis nur
etwas Unbekanntes sein, letztlich
subjektiv.
Eine wahrscheinlichkeitsbasierte
Methode der Bewertung ist durch
die Verwendung elektronischer
Bauelemente im Zusammenhang
mit funktionaler Sicherheit erforderlich geworden. Elektronischen
Bauelementen unterstellt man ein
typisch zeitabhängiges Ausfallverhalten über ihre Lebensdauer.
FUNKTIONALE SICHERHEIT
GRUNDLEGENDE SICHERHEITSPRINZIPIEN
Teil der Gesamtsicherheit, bezogen auf das
System, die von der korrekten Funktion des
sicherheitsbezogenen Systems und externen
Einrichtungen zur Risikominderung abhängt.
[IEC EN 61508-4:2002,
Abschn. 3.1.9 mod., IEC EN 62061]
Das sogenannte Ruhestromprinzip wird in
der ISO DIN EN 13849-2, Tabelle D.1, neben
weiteren grundlegenden Sicherheitsprinzipien, als grundlegendes Sicherheitsprinzip
zur Energietrennung aufgeführt. Dieses und
die weiteren sind bei Sicherheitsbauteilen
stets anzuwenden. Daneben sind auch die
bewährten Sicherheitsprinzipien zu beachten.
ANMERKUNG: Diese Bedingung schließt
Fehlertoleranz, Fehlererkennung (Diagnosefähigkeit) ein.
Dies ist in der Regel bei mechanischen Bauelementen nicht zu
erwarten.
Die Lebensdauer ist typisch von der
in der Anwendung auftretenden
Beanspruchung abhängig (Höhe,
Art und Häufigkeit) und nicht direkt von einer Zeit.
Es muss demzufolge die Möglichkeit einer Transformation der Daten eröffnet werden, welche die
Höhe, Art und Häufigkeit beinhalten.
Die in der Anwendung erwartete
Beanspruchung muss in Verbindung mit der möglichen Beanspruchbarkeit (in Schaltspielen) in
eine Zeit umgerechnet werden.
Die benötigten Kennwerte sind am
aktuellen Bauelement zu ermitteln,
damit liegt dann der aktuelle Stand
von Technik und Technologie der
verwendeten Elementarrelais zu
Grunde.
Wie bieten Elementarrelais funktionale Sicherheit?
Zur Klarstellung sei festgehalten,
dass auch das Bauelement Elementarrelais (wie alle anderen) für
sich betrachtet, keine Sicherheitsfunktion und damit auch keine
funktionale Sicherheit darstellt.
Funktionale Sicherheit ist zwar
hochwertig machbar, aber erst
durch die richtige Nutzung der
angebotenen Eigenschaften in
Verbindung mit einer entsprechenden Schaltung. Bei dieser sind
dann auch Sicherheitsprinzipien
zu berücksichtigen, wie z. B. das
sogenannte
Ruhestromprinzip
1
[ISO DIN EN 13849-2 ].
Daraus ergibt es sich, dass typisch
das Öffnungsversagen von Kontakten eine sicherheitskritische Bedeutung hat.
Fortsetzung Funktionale Sicherheit mit Relais
von Sicherheitsbauteilen, in denen
Elementarrelais verwendet werden, ist damit möglich.
SICHERHEITSBAUTEIL
Teil eines Steuerungssystems mit Sicherheitsfunktion
ANMERKUNG: Ein Sicherheitsbauteil ist kein
Bauelement.
4
Dieser B10-Wert (CTF10 ), kann in
eine für die Bewertung erforderFür den Anwender bietet sich das
5
liche Zeit (TTF10 ) umgerechnet
Elementarrelais als „Black Box“ an.
werden. Es besteht nachstehende
Für ihn zeigt sich ein Ausfall durch
Beziehung:
ein Kontaktversagen. Ein Kontakt
zeigt sich funktional als geschlosB
TTF10 = 10
nop
sen, obwohl er geöffnet sein sollte
Anzahl Schaltspiele
(Öffnungsversagen) bzw. als ge- [Jahre =
]
Anzahl Schaltspiele in der
öffnet, obwohl er als geschlossen
Anwendung pro Jahr
erwartet wird (Schließversagen).
Das Prinzip Zwangsöffnung ist Das Bewertungsergebnis liefert
bei Relais nicht umsetzbar. Diese eine Angabe zur Verfügbarkeit, die
Ausfälle von Kontakten sind nicht aber nicht zwingend mit der Zuverausschließbar, es muss mit ihnen lässigkeit der Sicherheitsfunktion
gerechnet werden. Ausschließbar gleichzusetzen ist. Speziell für Beist nur das gleichzeitige Öff- wertungen zur Zuverlässigkeit der
nungsversagen von Schließern Sicherheitsfunktion ist der sicherund Öffnern bei Elementarrelais heitskritische Ausfall zu definieren.
mit zwangsgeführten Kontakten, Dies ist meistens das Öffnungsver2
die entsprechend DIN EN 50205 sagen am Schließer. Der zugeordnete B10-Wert heißt dann B10d (d =
gebaut sind.
dangerous). Die Ermittlung dieses
Kennwertes ist ebenfalls in der
Daten für die Bewertung
PAS-IEC 61810-2-1 beschrieben.
Das Ende der Lebensdauer ist
durch ein Öffnungs- bzw. SchließB10d
TTF10d =
versagen gegeben. Dabei ist das
nop
Öffnungsversagen von Schließern
Anzahl Schaltspiele
]
das typisch sicherheitskritische Kri- [Jahre =
Anzahl Schaltspiele in der
Anwendung pro Jahr
terium.
Die Lebensdauer charakterisierenBei Anwendung geeigneter Schalde Kenngröße ist der sogenannte
tungstechnik erleidet auch bei
B10-Wert in Anzahl Schaltspiele.
einem Ausfall des als kritisch definierten Kontaktes das SicherheitsANMERKUNG:
B10 ist die statistisch mittels der Wei- bauteil keinen Verlust der Sicherbull-Verteilung festgestellte Anzahl der heitsfunktion. Der entstandene
Schaltspiele bis zum Ausfall von 10 %
Verfügbarkeitsverlust kennzeichdes Testloses. Dieser statistische Wert
ist nicht gleich dem, wenn aus dem Los net dann das Ende der Funktionsvon zehn Probanden der Erste ausge- dauer, aber nicht den Verlust der
fallen ist. Er ergibt sich vielmehr über Sicherheitsfunktion
(Gebrauchsdie Ausgleichsgerade der Verteilung.
dauer).
Hier sind normative Anforderungen
hilfreich, denn nur standardisierte
Testbedingungen lassen eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu.
3
Mit der PAS-IEC 61810-2-1 besteht jetzt diese Voraussetzung.
Die damit ermittelten Kennwerte
sind nachvollziehbar und vergleichbar. Eine qualifizierte Abschätzung
ANMERKUNG:
Leider
kennt
derzeit
die
ISO DIN EN 13849-1 den Begriff Funktionsdauer nicht, sondern nur die
Gebrauchsdauer. Damit ist die klare
Unterscheidung und die differenzierte
Bewertung dieser beiden Arten von Lebensdauer erschwert.
Fortsetzung nächste Seite
Die weitere Vorgehensweise für
die Bewertung der Sicherheitsfunktion des Sicherheitsbauteiles
ist in den entsprechenden Anwendernormen beschrieben.
Normen
Die international geschaffene
und verabschiedete Spezifikation
1
2
3
4
ISO DIN EN 13849-2
PAS-IEC 61810-2-1 steht im Zusammenhang mit der Grundnorm
6
IEC DIN EN 61810-1 und der
7
IEC DIN EN 61810-2 .
Schlussbemerkung
Das hier angesprochene Thema ist
komplex und damit besonders erklärungsbedürftig.
Sicherheit von Maschinen
Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen
Teil 2: Validierung
DIN EN 50205
Relais mit (mechanisch) zwangsgeführten
Kontakten
PAS
PAS-IEC 61810-2-1
Publicly Available Specification
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 2-1: Funktionsfähigkeit
Verifizierung von B10-Werten
CTF
Cycle To Failure
Es stellt insbesondere auch an den
Entwickler von Sicherheitsbauteilen neue Anforderungen. Elementarrelais bieten Eigenschaften,
welche den verschiedensten Ansprüchen gerecht werden können,
8
wie z. B. in Systemen für SIL (SIL9
CL) 1 bis 4 oder bis zu einem PLe .
5
6
7
8
9
In der hier nur möglichen Kürze
sollte auf einige wesentliche elementare Aspekte hingewiesen
werden.
Eberhard Kirsch
Hengstler GmbH
TTF
Time To Failure
IEC DIN EN 61810-1
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 1: Allgemeine Anforderungen
IEC DIN EN 61810-2
Elektromechanische Elementarrelais
Teil 2: Funktionsfähigkeit (Zuverlässigkeit)
Hinweis: Ersatz für IEC DIN EN 60255-23
SIL (SILCL)
Safety Integrity Level (Safety Intergrity Level Claim) 1 bis 3;
IEC DIN EN 62061
PL
Performance Level a bis e;
ISO DIN EN 13849-1
Gastbeitrag:
Mit Relais zur Leistungsspitze
Brennpunkt: Lebensdauer von Relais
Relais in elektronischen Wendeschützen
Schaltlichtbogen bei DC-Lasten
Phoenix Contact ist führender Hersteller von Komponenten und Systemen für
die gesamte Automatisierungstechnik. Die Produktlinie Digital Interface entwickelt und liefert innovative
Relais- und SSR-Interfaces
als Schnittstellen zwischen
Steuerungs- und Feldebene.
Mal ganz ehrlich, wenn die Zielformulierung für ein Interfaceprodukt lautet:
hohe Lebensdauer
■ große Platzersparnis
■ galvanische Trennung
■ Störunempfindlichkeit
■ geringe Verlustleistung
■ attraktiver Preis
■ Sicherheitskategorie 3 bzw. SIL3
■
Sehen Sie dann sofort ein elektromechanisches Relais als Bestandteil dieses Produktes vor sich?
Selbstverständlich! Vielleicht nicht
allein, aber in Symbiose mit an-
deren Komponenten entsteht ein
unschlagbares Team, das mit intelligenter Hybridtechnologie die
Vorteile/Stärken von ausgereifter
Relaistechnik und verschleißfreier
Halbleitertechnik kombiniert und
deren Schwächen eliminiert.
Die Zielformulierung ist nicht aus
der Luft gegriffen, sondern stand
als konkrete Anforderung zur Realisierung an.
Die Applikation: Zuverlässiges
Schalten, Reversieren und Schützen von Motoren bis 4 kW.
Wie also macht man so etwas
aktuell und wie könnte man es
künftig besser machen?
Die klassische Antriebssteuerung
für einen Motor besteht bisher aus
vier Grundbestandteilen: Rechtsschütz, Linksschütz, Motorschütz
und Not-Aus-Schütz(en). In der
Leistungsklasse bis 4 kW bedeutet
dies eine Baubreite von minimal
90 mm bis maximal 180 mm auf
der Tragschiene.
In Zukunft erledigt das „RelaisTeam“ im CONTACTRON-Halbleiterschütz „4 in 1“ dies auf
22,5 mm Baubreite. Alle vier
Hauptfunktionen sind dabei zu einer Einheit zusammengewachsen.
Damit entfällt auch die aufwendige
und fehlerträchtige Verdrahtungsarbeit. Die hohe Leistungsdichte
der Relais, also hohe Dauerströ-
me bei geringer Verlustleistung
[= geringe Erwärmung], das
verschleißfreie Schalten der Halbleiter [= Übernahme der Einund Ausschaltbelastung] und
das intelligente Management beider durch einen Mikrocontroller
[= Zeit-/Kontaktmanagement
und redundante Sicherheit],
verleiht der Einheit zusätzlich
noch eine mindestens zehnfache
Lebensdauer.
Dank der geringen Verlustleistung
der Relaiskontakte ist kein Kühlkörper notwendig und das Bauvolumen wird deutlich reduziert.
Damit gelingt es dem Relais erneut
seine Leistungsfähigkeit unter Beweis zu stellen und als Teamplayer
mit individuell einzigartigen Eigenschaften das Gesamtergebnis
maßgeblich positiv zu beeinflussen.
Frank Herden
Phoenix Contact Electronics GmbH
Die Lebensdauer von elektromechanischen Relais wird von
Kontaktabbränden - verursacht
durch Schaltlichtbögen - wesentlich beeinflusst.
Die Physik der Schaltlichtbögen mit ihren sehr differenzierten Zusammenhängen und Wirkungen im Detail soll hier
nicht näher erläutert werden.
Für die Beherrschung in der Anwendung mittels Schaltungstechnik reicht
Durch eine geeignete Relaiskonstrukin der Regel die Kenntnis des Auftretion und vor allem aber durch eine
tens als solches aus.
Schaltungstechnik, die der geschalteten Last angepasst ist, kann dieser
unerwünschte Einfluss gemindert Konstruktive Maßnahmen
oder gar nahezu aufgehoben werDie spezielle konstruktive Auslegung
den.
des verwendeten Relais sowie die verwendeten Werkstoffe bieten für den
Einsatz grundlegende Eigenschaften.
Hinzu kommen die Stabilität und das
Niveau der Fertigungsqualität.
Dieses Bild zeigt einen grün schimmernden Schaltlichtbogen beim Abschalten einer Induktivität. Die Ausprägung wird durch die Höhe und Art der
geschalteten Last bestimmt.
Der Materialeinsatz für die Kontaktstücke und deren Formgebung
spielen eine wichtige Rolle. Kontaktstücke, welche mittels einer guten
Vernietung (Fertigungsqualität) mit
den Zuleitungen verbunden sind, verfügen nicht nur über eine gute Stromtragfähigkeit, sondern können auch
die entstehende Wärme besser vom dass die Magnetfeldlinien im WinKontaktstück wegleiten. Der Kon- kel von 90° zur Stromflussrichtung
taktabbrand durch Schaltlichtbögen liegen.
wird vermindert.
Fortsetzung auf Seite 2
Auf die Auswahl des Kontaktmaterials ist zu achten. Verbundwerkstoffe
z. B. aus Silber und Nickel oder Silber
und Zinndioxid bieten eine höhere
Abbrandfestigkeit und geringere
Verschweißneigung gegenüber einfachen Silberlegierungen.
Nachteil ist sicher der höhere Preis für
Materialeinsatz und Fertigung.
Low-Cost-Anbieter setzen am Materialeinsatz und auch bei der gefertigten
Qualität gerne die Kostenschraube
an.
Eine weitere Möglichkeit, dem Kontaktabbrand entgegen zu wirken, ist
der Einsatz eines Blasmagneten.
Hierbei lenkt ein Dauermagnet den
Lichtbogen ab und begünstigt so seine Löschung.
Der Magnet muss so angebracht sein,
In dieser Ausgabe
 Schaltlichtbogen bei DC-Lasten
 Commodity Goes Special
 Schmales Leistungsrelais G6DS
 Funktionale Sicherheit
mit Relais
 Gastbeitrag:
Relais in elektronischen
Wendeschützen