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.
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.
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.
Sowohl als auch
Aufgrund ihrer unterschiedlichen Schalttechnologien ergänzen sich Sicherheits- und Halbleiterrelais sehr gut. Die Summe ihrer Eigenschaften ergibt eine sehr effektive Sicherheitssteuerung – besonders für Anwendungen, in denen in kurzen Abständen hohe Lasten geschaltet werden. „Halbleiter und elektromechanische Sicherheitsrelais bilden hier eine geniale Symbiose“, sagt Stefan Ade, Anwendungsberater im Technischen Support bei Hengstler. Die Halbleiterrelais halten diesen hohen Belastungen deutlich besser stand als Sicherheitsrelais. Diese wiederum sichern den Halbleiter ab, falls dieser doch einmal durchlegiert und unbrauchbar wird. Die Sicherheitsrelais laufen die meiste Zeit im Leerlauf mit und setzen die Anlage im Fehlerfall zuverlässig still.
Haupteinsatzgebiete für Halbleiterrelais sind Bewegungssteuerungen und Heizungssteuerungen, etwa in der Lebensmittelindustrie, der Kunststoffindustrie (Extruder) oder in Klimaanlagen und in Lötsystemen. Aber auch in Beleuchtungs- und Pumpensteuerungen werden die verschleißfreien Relais oft verbaut.
Neben Anwendungen mit beiden Relaistypen gibt es zahlreiche Applikationen, in denen ausschließlich Sicherheitsrelais verbaut werden. In der Regel sind es Applikationen mit sehr hohen Sicherheitsanforderungen, wie zum Beispiel in der Bahn- und Aufzugstechnik. Viele elektrische Schaltungen müssen dort die Vorgaben des Safety Integrity Levels (SIL) 3 und 4 erfüllen.
Aufbau funktional sicherer Schaltungen
Auf der Basis von Relais mit zwangsgeführten Kontakten lassen sich diese Schaltungen für SIL3- und SIL4-Applikationen mit deutlich weniger Aufwand realisieren als mit Halbleiterrelais – vorausgesetzt, die Schaltung ist korrekt ausgelegt. Die Kosteneinsparungen resultieren aus den geringeren Stückkosten der Relais und dem geringeren Installationsaufwand, da hier keine Kühlkörper erforderlich sind. Gleichzeitig bieten die Sicherheitsrelais eine sehr hohe Absicherung gegen unerwünschte Bewegungen von Anlagenteilen im Fehlerfall.