Elektronische Relais können weit mehr als nur schalten. Sie können auch schützen und überwachen. Das macht sie attraktiv für Nutzfahrzeuge. Und ganz nebenbei eliminieren die elektronischen Relais eine ganze Reihe möglicher Fehlerquellen, da bereits integrierte Funktionen Steckverbindungen einsparen. Ein Vergleich mit elektromagnetischen Relais (EMR) macht dies deutlich. Ein herkömmliches elektromagnetisches Relais bis zu einem Nennstrom von 50A benötigt einen permanenten Haltestrom von typisch 130mA. Ein elektronisches Relais hingegen benötigt nur einen Steuerstrom von typisch 5mA. Das bedeutet bei einem 24-V-Bordnetz, dass 3W pro Relais (P = U*�?I) eingespart werden. Das klingt zunächst wenig, aber unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade werden so über 30 Liter Diesel und über 80kg CO 2-Emissionen pro Fahrzeug und Jahr eingespart (siehe Tabelle auf Seite 86). Doch das ist nur die eine Seite beim Verwenden eines Halbleiterrelais speziell in mobilen Arbeitsmaschinen.
Vibration und Schock
Insbesondere die Komponenten im Bordnetz einer Baumaschine sind erheblichen Schocks und Vibrationen ausgesetzt. Lässt der Führer eines Baggers den Löffel zu Boden krachen, kann man sich die Schock-Belastung der Komponenten in diesem Moment sehr gut vorstellen. Diese können Werte bis 50 g (g = Erdbeschleunigung) erreichen. �?hnliches gilt für die permanenten Vibrationen bei einer Straßenfräse oder einer Walze. Ein Halbleiterrelais besitzt keine bewegten Teile, daher kann es bei Erschütterungen nicht zu unerwünschten Schaltungen kommen. Die Einbaulage ist nicht vorgeschrieben und demnach nicht zu beachten. Damit können die Relais an der Baumaschine flexibel positioniert werden. Aber nicht nur die besonderen Umweltanforderungen hinsichtlich Schock und Vibration begünstigen den Einsatz eines Halbleiterrelais. Ebenso bedingt das häufige Schalten induktiver Verbraucher wie Lampen oder Motoren einen permanenten Kontaktverschleiß. Dies führt im Laufe der Zeit zu einem erhöhten Kontaktwiderstand. Durch die Lichtbogenbildung beim Abschalten einer induktiven Last wird der Verschleiß noch verstärkt. Während die mechanische Lebensdauer eines herkömmlichen Relais mehrere Millionen Schaltspiele ermöglicht, ist die elektrische Lebensdauer, die hauptsächlich von der geschalteten Last abhängt, das limitierende Element eines EMR. Ein weiterer Aspekt beim Verwenden von Relais in Nutzfahrzeugen ist Staub. So legen sich Staubpartikel, die in das Gehäuse des elektromechanischen Relais eingedrungen sind, zwischen die Kontakte. Die Folge ist ein Relais, das keinen adäquaten Stromfluss mehr ermöglicht - es fällt aus, die Maschine steht still. Auch hier bietet sich der Einsatz eines elektronischen Relais an. Während dem EMR also physikalische Grenzen gesetzt sind, ist die Lebensdauer eines Halbleiterrelais theoretisch unbegrenzt.
Arbeitssicherheit zählt
Wie eingangs bereits beschrieben, ist die Leistungsaufnahme zur Ansteuerung mit zirka 5mA sehr gering. Doch auch bei ausgeschalteter Last, also im Standby-Betrieb, ist die Eigenstromaufnahme des Relais mit typischerweise 50µA sehr gering. Natürlich liegt die Leistungsaufnahme bei einem bistabilen Relais bei nahezu Null. Doch in vielen Anwendungen sind bistabile Relais aufgrund ihres undefinierten Zustands nicht zugelassen. So ist zum Beispiel im Anlieferzustand die Ankerstellung eines bistabilen Relais nicht ersichtlich. Ebenso nach einem Spannungsabfall. Ein monostabiles Relais hingegen fällt immer in einen definierten Zustand zurück. Dies ist auch die Funktionsweise des Halbleiterrelais, das nach Wegnahme der Spannung in den Off-Zustand geht. Auch die Ansteuerung eines bistabilen Relais ist deutlich aufwendiger, da dieses mit Umpolen oder Zwei-Spulen-Systemen arbeitet.
Wartungsfreiheit im Blickpunkt
Gewöhnlich werden Relais in Sicherungskästen oder Schaltschränken verbaut. Diese sind so am Fahrzeug platziert, dass sie gut erreichbar sind. Es kommt aber auch oft vor, dass ein Relais direkt bei der zu schaltenden Last angebracht wird, um die Versorgungsleitungen kurz und den Spannungsabfall gering zu halten. Dabei kann es sich um unzugängliche Stellen handeln, die im günstigsten Fall den Service-Techniker vor eine Herausforderung, im ungünstigsten Fall den Maschinenbediener vor ein unlösbares Problem stellen, wenn ein Lastkreis plötzlich nicht mehr funktioniert. Auch hier bietet sich der Einsatz eines elektronischen Relais an, da dieses als Lebensdauerbauteil wartungsfrei arbeitet. Ein begünstigender Aspekt der Wartungsfreiheit ist auch die optional integrierbare Schutzfunktion der elektronischen Relais. Ist das Halbleiter-Relais durch den verwendeten Leistungshalbleiter von Haus aus gegen Kurzschluss geschützt, kann optional auch eine zusätzliche Schutzfunktion gegen Überlast integriert werden. Hierbei wird der Strom ab 1,3 x dem Nennstrom (I N) abgeschaltet - allerdings erst nach einer definierten Zeitspanne von typisch 200ms. Diese Verzögerung ist notwendig wegen der hohen Einschaltströme, die ein Vielfaches des eigentlichen Nennstromes betragen können, sich aber nach etwa 200ms in der Regel auf Normalniveau eingependelt haben. Hier verbirgt sich ein weiterer Vorteil dieser kombinierten Relais- und Sicherungsfunktion: Eine insbesondere gealterte Sicherung löst bei hohen Einschaltströmen aus und wird daher üblicherweise überdimensioniert gewählt, um den hohen Einschaltstrom zu halten. Damit ist ein adäquater Leitungsschutz nicht mehr sichergestellt. Die elektronische Schutzfunktion hingegen kann präzise und gemäß der Kennlinie aufrechterhalten werden. Das bedeutet, dass das Kabel jederzeit bestmöglich geschützt ist, übrigens auch in höheren Temperaturbereichen.
Variabel einsetzbar
Die Rückmeldung des elektronischen Relais über den aktuellen Zustand ist optional möglich. So existieren zum einen zwei optische Signalelemente in Form von LEDs am Relais, die anzeigen, ob die Last eingeschaltet ist oder aufgrund eines Kurzschlusses oder einer Überlast abgeschaltet wurde. Zum anderen verfügt das Halbleiter-Relais optional über zwei Signalausgänge, die diese Information an ein Steuerungssystem, den Bordrechner oder einfach an eine LED in der Fahrerkabine weiterleiten. Ein weiteres optionales Feature ist der laststromproportionale Analogausgang (0V bis 5V). Er ist im Powermanagement des Gesamtsystems eingebunden. Der aktuelle Stromwert der Last kann somit im System weiterverarbeitet werden, um beispielsweise nachrangige Verbraucher zu regeln. Ebenso kann die optionale Drahtbruchüberwachung gute Dienste bei lediglich temporär genutzten Lasten leisten. Diese Funktion überwacht den Lastkreis permanent auf Drahtbruch, also auch im ausgeschalteten Zustand. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass ein Verbraucher verfügbar ist, wenn er tatsächlich benötigt wird - zum Beispiel das Beleuchtungssystem, das nur bei Dunkelheit zum Einsatz kommt. Anschlussseitig sind die elektronischen Relais identisch mit den elektromechanischen Standard-Relais gemäß ISO 7588. Für den Einsatz auf Leiterplatten und Hutschienen ist eine Inline-Anordnung der Kontakte verfügbar. Die High-Side Switches sind als „Schließer“-Relais ausgebildet und besitzen zwei Ansteuervarianten: entweder zum Anlegen einer Spannung über 8,5V oder zum Anlegen des Masse-Potenzials.
Weitere Informationen
[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Kraftstoff [2] Energiesparend Fahren - Broschüre des Innenministeriums Baden-Württemberg, 7. aktualisierte Auflage Oktober 2008; Seite 20
