Der verstärkte Einsatz von Automatisierung wird entscheidend dazu beitragen, die Produktivität in den Fertigungsbetrieben zu steigern. Die Aufrechterhaltung des laufenden Betriebs von Maschinen und Robotersystemen und die Vermeidung von Ausfallzeiten aufgrund des Austauschs oder der Reparatur von Bauteilen müssen daher oberste Priorität haben – andernfalls wird die Rentabilität der Anlage stark beeinträchtigt. Ebenso müssen schnell reagierende Sicherheitsmechanismen eingerichtet werden, um die wertvolle Ausrüstung vor Schäden und das Fabrikpersonal vor Verletzungen zu schützen.
Vor diesem Hintergrund ist es klar, dass die in solchen Maschinen/Systemen eingebauten Relais mit Bedacht ausgewählt werden sollten. Sie müssen nicht nur hohe Leistungsmaßstäbe erfüllen, sondern auch außergewöhnlich robust sein und eine lange Lebensdauer haben.
Verstehen der Funktionsweise von Relais und ihrer Verwendung
Elektromechanische Relais werden seit vielen Jahrzehnten in elektronischer/elektrischer Hardware eingesetzt, um sowohl Systemschaltungen als auch sicherheitsrelevante Aufgaben zu übernehmen. Wie sie funktionieren, ist leicht zu verstehen. Das Anlegen eines kleinen Stroms führt zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Spule des Relais. Dies wiederum aktiviert einen Schaltmechanismus, über den ein Stromkreis mit höherem Strom gesteuert werden kann, wobei die elektrische Isolierung zwischen den beiden Stromkreisen erhalten bleibt.
Halbleiterrelais sind ebenfalls in der Lage, isoliert zu schalten, aber hier wird stattdessen ein anderer Ansatz für die Isolierung gewählt (normalerweise auf der Grundlage einer optoelektronischen Anordnung). Wie wir später sehen werden, gibt es Bereiche, in denen der Einsatz von elektromechanischen Relais am besten geeignet ist, und andere, in denen Halbleiterrelais die beste Option darstellen. Relais in einer dieser beiden Formen werden in großem Umfang in Industrieanlagen eingesetzt. Sie sind in Schalttafeln, industriellen Antrieben und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) zu finden. Sie werden zunehmend zur Steuerung der Bewegung und zur Gewährleistung des sicheren Betriebs von Robotersystemen eingesetzt, insbesondere bei der Anwendung von „Lichtvorhängen“, die z.B. einen Roboterarm an der Bewegung hindern, wenn ein Mensch ihm zu nahekommt.
Elektromechanisch oder Halbleiter
Bei der Entscheidung, ob ein elektromechanisches oder ein Halbleiterrelais verwendet werden soll, stellt sich zunächst die Frage, wie viele Schaltzyklen das gewählte Relais im Laufe eines durchschnittlichen Tages absolvieren muss. Die höhere Zyklenfestigkeit von Halbleiterrelais könnte hier das entscheidende Merkmal sein. Wenn die Zyklenzahlen sehr hoch sind (wie z.B. bei einer Heizungsregelung), ist die Zuverlässigkeit eines elektromechanischen Relais möglicherweise nicht ausreichend, da ein mechanisches Relais in der Regel eine Lebensdauer von ca. 100.000 Schaltzyklen besitzt. Hier sollte man besser zu einem Halbleiterrelais greifen.
Verfügbare Relaisoptionen
Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren werden im Folgenden einige der Relais vorgestellt, die die Hersteller derzeit anbieten, sowie die Gründe, warum sie für bestimmte Anwendungsfälle geeignet sind.
Wenn Relais hohen Einschaltströmen (High Inrush) standhalten müssen, lohnt es sich, das G5RL-HR von Omron oder das RTS von TE Connectivity in Betracht zu ziehen. Wenn Isolierung von größter Bedeutung ist, sollten Relais wie das PA-N von Panasonic in Betracht gezogen werden. Dieses Relais entspricht der Norm IEC-61010 und hält Überspannungen von bis zu 6 kV stand. Es verfügt über eine monostabile Spule mit 3 V – 24 V Spulenspannung und hat eine Leistungsaufnahme von nur 110 mW bei gleichzeitig sehr geringen Abmaßen von 5 mm x 20 mm x 12,5 mm.
Das 6A-starke, 7-polige, zwangsgeführte Sicherheitsrelais SRL7 von TE Connectivity hat 2 Öffner- und 5 Schließerpole mit verstärkter Isolierung zwischen den Kontaktkreisen. Es entspricht den Normen IEC-61810 und RTII und verfügt über eine mechanische Lebensdauer von 10x106. Der Arbeitstemperaturbereich dieses Relais reicht von -40 °C bis 85 °C. Die geringe Spulenleistungsaufnahme von 700 mW bedeutet, dass beim Schalten des Relais nur sehr wenig Wärme erzeugt wird. Ein weiteres attraktives Merkmal ist sein niedriges Profil (mit einer Höhe von nur 10,8 mm). Zwischen den Kontakten NO und NC liegt eine Spannungsfestigkeit von 4.000 Vrms vor.
Teil der Halbleiterrelais-Serie NOVA22 von Sensata Crydom sind die DR22-Halbleiterrelais mit AC-Ausgang für die DIN-Schienenmontage mit einer Ausgangsleistung von jeweils 35 A. Sie werden häufig in Extrusionsverfahren und in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung eingesetzt, wo es zu Erzeugung stabiler Temperaturen eingesetzt wird. Sie verfügen über eingebaute Aluminiumkühlkörper, so dass keine komplexen thermischen Berechnungen durchgeführt werden müssen. Eine Überspannungsschutzfunktion ist ebenfalls enthalten.
In Situationen, in denen ein schnelleres Schalten erforderlich ist, der Platzbedarf auf der Platine gering ist oder die Lebensdauer der Schaltkomponenten die Effizienz des Fertigungsprozesses verringert, sind MOSFET-Relais am besten geeignet. Die OMRON G3VM-Produktserie, insbesondere die Hochstrom- und Hochspannungsmodelle in SOP- oder DIP-Gehäusen, erfüllen die Anforderungen der Fabrikautomatisierungsindustrie. Es gibt auch Allzwecktypen, wie G3VM-xxG oder G3VM-xxVY, die in solchen Anwendungen sehr beliebt sind.
Die G3VM-63G-Geräte von Omron sind einpolige, mit einem Öffnerkontakt ausgestattete MOSFET-Relais (SPST-NC) für die Leiterplattenmontage, die für den industriellen Einsatz optimiert sind und regelmäßig in den Servos von Roboterarmen eingesetzt werden. Sie werden in 4-Pin-SOP-Gehäusen geliefert und können Spitzenlastspannungen von bis zu 60 V bewältigen. Ihr Betriebstemperaturbereich reicht von 40 °C bis +105 °C, und sie haben eine E/A-Durchschlagsfestigkeit von 1500 Vrms.
Die CPC1018N-Serie von Littelfuse IXYS basiert auf der firmeneigenen OptoMOS-Optokoppler-Architektur und ist für den Einsatz in industriellen Steuerungen oder Datenerfassungssystemen vorgesehen. Sie besteht aus einpoligen MOSFET-Relais, die beschleunigte Schaltgeschwindigkeiten liefern können. Sie haben eine Isolationsspannung von 1500 Vrms und können Dauerlasten von 600 mArms verarbeiten. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) ist ein weiterer wichtiger Pluspunkt. Diese Relais werden in einem sehr kompakten Gehäuseformat geliefert was bedeutet, dass sie in Umgebungen mit begrenztem Platzangebot installiert werden können.
Fazit
Im Industriesektor besteht ein Bedarf an Hochleistungsrelaislösungen mit hoher Betriebssicherheit. Diese müssen neben Energieeffizienz und Zyklenfestigkeit auch zuverlässige und sichere Betriebsfunktionen bieten. Kleine Formfaktoren, einfache Integration, Vibrationsfestigkeit und ein attraktiver Preis können weitere Überlegungen sein, die den Auswahlprozess beeinflussen. TTI verfügt über ein breites Portfolio an Relais, das viele Modelle von Halbleiter- und elektromechanischen Typen umfasst. Wenn Ersatzrelais für den Einsatz in älteren Geräten gefunden werden müssen, kann das TTI-Team neue Alternativen finden, die geeignet sind.
