Sicherheitsrelais für den gefahrlosen Betrieb von Bahnen und Aufzügen

Bewährtes Prinzip

Relais mit zwangsgeführten Kontakten und Halbleiterrelais verhindern gefährliche Bewegungen und ergänzen sich in Sicherheitsschaltungen oft sehr gut. In manchen Bahn- und Aufzugstechnik-Anwendungen hat der ausschließliche Einsatz von Sicherheitsrelais allerdings deutliche Vorteile. Wann sind also Sicherheitsrelais erste Wahl und wann eine Kombination aus beiden Schalttechnologien? Die Antwort hängt auch davon ab, welche Lasten geschaltet werden müssen.
 Relais mit zwangsgeführten Kontakten und Halbleiterrelais verhindern gefährliche Bewegungen und ergänzen sich in Sicherheitsschaltungen oft sehr gut. In manchen Bahn- und Aufzugstechnik-Anwendungen hat jedoch der ausschließliche Einsatz von Sicherheitsrelais Vorteile.
Relais mit zwangsgeführten Kontakten und Halbleiterrelais verhindern gefährliche Bewegungen und ergänzen sich in Sicherheitsschaltungen oft sehr gut. In manchen Bahn- und Aufzugstechnik-Anwendungen hat jedoch der ausschließliche Einsatz von Sicherheitsrelais Vorteile.Bild: Hengstler GmbH

Das umfangreiche Know-how des Automatisierungsspezialisten Hengstler in puncto Sicherheitsrelais geht auf die Übernahme der Firma E. Haller im Jahr 1983 zurück. Dort hatte Dipl.-Ing. Ralf-Eberhard Kirsch als Mitglied der technischen Leitung sieben Jahre zuvor eine neuartige elektromechanische Schaltvorrichtung entwickelt. Das Revolutionäre daran waren die zwangsgeführten Kontakte: Kirsch und seine Kollegen verbanden sie so miteinander, dass Öffner- und Schließerkontakte niemals gleichzeitig geschlossen sein können. Fällt also ein Schließerkontakt durch Verhaken oder Verschweißen dauerhaft aus, bleibt der dazugehörige Öffnerkontakt geöffnet. Ein zweites redundantes Relais legt dann die Anlage sicher still.

Das Konstruktionsprinzip der Sicherheitsrelais von Hengstler fand Eingang in die Normen EN50205 bzw. IEC / EN61810-3 und wird heute von allen Herstellern dieser Bauelemente angewandt. Die Relais unterscheiden sich auf den ersten Blick je nach Marke nur in Details wie den Außenabmessungen, der Spulenleistung sowie dem maximalen Schaltvermögen. Im Inneren gibt es dagegen aufgrund des firmenspezifischen Know-hows, das in die Konstruktion einfließt, große Unterschiede. Hier spielt die Auswahl der Kontaktmaterialien und deren Oberflächenbehandlung eine wichtige Rolle. So spiegeln sich designtechnische Optimierungen, die auf der Basis jahrzehntelanger Erfahrung vorgenommen werden, unter anderem in der Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit der Relais wider. Eine besondere Stärke von Hengstler ist zudem die schnelle kundenspezifische Anpassung der Relais.

 Das Sicherheitsrelais H-464 dient für alle Anwendungen, bei denen eine Vielzahl von elektrischen Schaltkontakten benötigt wird. Für Sonderanwendungen kann der Laststrom direkt durch die Relaisspule geführt werden, um die korrekte Funktion der Last zu überwachen.
Das Sicherheitsrelais H-464 dient für alle Anwendungen, bei denen eine Vielzahl von elektrischen Schaltkontakten benötigt wird. Für Sonderanwendungen kann der Laststrom direkt durch die Relaisspule geführt werden, um die korrekte Funktion der Last zu überwachen.Bild: Hengstler GmbH

Wie funktionieren Sicherheitsrelais?

Die Kontakte von Relais können durch die Hitze der bei den Schaltvorgängen entstehenden Lichtbögen miteinander verschmelzen. Das hat zur Folge, dass eine Maschine selbst bei der Betätigung des Not-Aus-Schalters weiterlaufen würde – ein gefährlicher Zustand. Um dies zu verhindern, werden Sicherheitssteuerungen mit mindestens zwei Relais mit zwangsgeführten Kontakten eingesetzt. Dabei sind die Ausgangskontakte der Relais in Reihe geschaltet. Fällt nun eines der Relais mit einem verschweißten Schließerkontakt aus, können die Schließerkontakte der weiteren Relais in jedem Fall die Maschine abschalten und damit sicher stillsetzen. Durch die Eigenschaft der Zwangsführung bleibt im defekten Relais der Öffnerkontakt in diesem Fehlerfall geöffnet – und das laut Norm mit einer Mindestöffnung von 0,5mm. Über diesen geöffneten Öffnerkontakt wird der aufgetretene Fehler erkannt und das erneute Einschalten der Maschine verhindert. Ein unkontrolliertes Weiterlaufen einer Anlage bei einem Defekt im Relais ist damit ausgeschlossen.

Halbleiterrelais sind eigentlich gar keine richtigen Relais. Sie bestehen nicht aus beweglichen Teilen wie ein Relais, sondern aus Halbleiterbauelementen, Transistoren, Mosfets (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), Thyristoren, Diacs und Triacs, mit denen eine Relaisfunktion realisiert wird. Das Schaltelement in einem Halbleiterrelais ist ein Schalttransistor, Triac oder Mosfet, der von einem Fotowiderstand oder -transistor (Optokoppler) gesteuert wird. Halbleiterrelais sind sehr kompakt und eignen sich besonders für Anwendungen, in denen hohe Lasten häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen.

 Das Sicherheitsrelais H-472 bietet eine Lösung für alle Anwendungen, bei denen eine hohe Packungsdichte verlangt wird. Die maximale Bauhöhe von 15,7mm erlaubt auch den Einsatz in 22,5mm-Modulgehäusen.
Das Sicherheitsrelais H-472 bietet eine Lösung für alle Anwendungen, bei denen eine hohe Packungsdichte verlangt wird. Die maximale Bauhöhe von 15,7mm erlaubt auch den Einsatz in 22,5mm-Modulgehäusen.Bild: Hengstler GmbH

Sicherheitsrelais haben im Vergleich zu Halbleiterrelais einige Vorteile, aber auch einige Nachteile. So erzeugen Relais mit zwangsgeführten Kontakten eine deutlich geringere Verlustleistung (Eigenerwärmung) als Halbleiterrelais und müssen deshalb – anders als diese – nicht mit Kühlkörpern ausgestattet werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Relais Gleich- oder Wechselstrom führen. Relais mit zwangsgeführten Kontakten sind zudem sehr widerstandsfähig gegenüber Spannungs- und Überstromspitzen, die an den Kontakten oder der Spule kaum Schaden anrichten können. Halbleiterrelais reagieren dagegen relativ empfindlich gegenüber Stoßströmen: Die integrierte C/R-Dämpferschaltung reicht hier nicht aus, um die Spitzen zu unterdrücken. Deshalb wird die kurzzeitige maximale Spitzenspannung des Halbleiterrelais überschritten und es kommt zu einem Überspannungsschaden. Ein weiterer Vorteil von Sicherheitsrelais ist ihr einfacher Aufbau: Er ermöglicht es dem Anwender, Ausfälle und deren Auswirkungen viel besser abzuschätzen als bei Halbleiterrelais.

Halbleiterrelais wiederum besitzen einige Vorteile gegenüber Sicherheitsrelais. So verfügen sie im Gegensatz zu elektromechanischen Relais nicht über bewegliche Teile und unterliegen damit auch keinem Verschleiß. Die elektronischen Relais sind zudem kompakter als elektromechanische Relais und weisen eine höhere durchschnittliche elektrische Lebensdauer auf. Hinzukommt, dass Halbleiterrelais deutlich kürzere Schaltzeiten bieten. Diese Eigenschaft spielt allerdings nur bei Lichtschranken, die im Sekundentakt betätigt werden, wirklich eine Rolle. Insgesamt gesehen punkten Halbleiterrelais im direkten Vergleich mit Sicherheitsrelais vor allem durch ihre sehr lange Lebensdauer.

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