Schaltrelais Die Vorteile gepolter Relais in der Gebäudeinstallation nutzen

Autor / Redakteur: Claudiu Ciobotaru* / Holger Heller

Seit der Einführung des Europäischen Installationsbusses (EIB) Anfang der 80-iger Jahre hat sich der Markt der Gebäudeinstallationstechnik stark verändert. Vor allem im Zweckbau (Gewerbe- und Bürogebäude) werden Funktionen wie Licht-, Jalousie- und Heizungssteuerung durch Schaltakto-ren realisiert. Welche Forderungen bestehen heute an solche Schaltelemente?

Firma zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Schaltaktoren werden über das im Gebäude verlegte Busnetz angesteuert. Eine logische Verknüpfung von Sensorinformationen lassen verschiedene Szenarien komfortabel steuern und verändern. Der Schaltaktor stellt für den Anwender im Prinzip eine „Black Box“ dar, die als Bindeglied zwischen Logik und Last fungiert.

Verglichen mit der kon-ventionellen Elektroinstalla-tion arbeitet der EIB völlig anders. Während in der üblichen Installationstechnik die 230-V-Leitung für die Energie- und für die Infor-mationsübertragung (z.B. Ein/Aus) genutzt wird, sind die Energie- und Informationsleitungen beim EIB getrennt. Den Verbrauchern wird die Energie über Schaltaktoren direkt zugeführt; die Informationsübermittlung zwischen dem Schalter und dem Schaltaktor wird über eine Zweidraht-Busleitung realisiert. Die Ansteuerung dieser Aktoren wird mittels Mikroprozessoren durch Eingangsinformationen wie Sensoren (Befehlsgeber wie z.B. Bewegungsmelder, Licht-, Windmesser, Brandmelder, Schalter oder Thermostat) durchgeführt.

Bildergalerie

Der Schaltaktor muss ein Schaltelement enthalten, dass über die Busleitung ansteuerbar ist und die zu schaltende Last verlässlich ein- und ausschalten kann. All diese Anforderungen können zuverlässig mit einem Relais im Schaltaktor gewährleistet werden. Dieses Relais muss in Europa für 16 A ausgelegt sein, da die europäischen Gebäudeinstallationen gemäß diesem Wert abgesichert werden.

Im Rahmen der Energieeinsparung wird sehr oft ein bistabiles Relais verlangt, welches durch einen kurzen Ansteuerungspuls in die andere Stellung geschaltet wird. Außerdem steht diesem Relais im Schaltaktor nur begrenzt Platz zur Verfügung, so dass die Dimensionen des Relais ebenfalls eine ausschlaggebende Rolle spielen. Die Forderung nach Sicherheit für Mensch und der verbundenen Last (wie z.B. Jalousiemotor) schreibt erhöhte Luft- und Kriechstrecken des Schaltelementes vor.

Die Relaisentwickler haben auf diesen Trend am Markt reagiert und entsprechende Relais in ihren Programmen aufgenommen. Diese Relais werden bereits in guten Stückzahlen in verschiedenen Schaltaktoren eingesetzt. Bedenkt man die unterschiedlichen Funktionen, die im Gebäude geschaltet werden, dann muss das Relais derart ausgelegt werden, dass die verschiedensten Lasten mit ihrer individuellen Charakteristik zuverlässig und oft geschaltet werden können. Des weiteren möchte der Installateur im Feld möglichst schnell überprüfen können, ob die verdrahteten Aktoren richtig arbeiten ohne das bereits eine elektrischen Ansteuerung dieser Elemente erfolgt. Hierzu wurden Relais mit Handbetetiger entwickelt, die dieser Forderung auf elegante Weise nachkommen.

Gepolte Relais: Dauermagnet im Steuerkreis

Die auf dem Markt befindlichen Relais werden in zwei Technologien kategorisiert: neutrale und gepolte Relais. Beim neutralen Relais wird der benötigte magnetische Fluss alleine durch die Relaisspule bereitgestellt. Diese Relais haben nur einen stabilen Arbeitspunkt, d.h. nur durch andauernde Erregung der Spule kann ein Verbleiben in der anderen Schaltstellung realisiert werden.

Im Gegensatz hierzu ist beim gepolten System ein Dauermagnet im Steuerkreis implementiert. Hierdurch werden zum einen höhere Kontaktkräfte (Bild 1) erreicht und zum anderen die Spulenverlustleistung verringert. Dieses kommt der begrenzten Leistungsabnahme des Busnetzes sehr entgegen. Weitere Vorteile sind die geringe Prellneigung und eine kompakte Bauweise solcher Bauelemente. Damit der Magnet zusammen mit dem Feld der Spule richtig wirken kann, muss auf die Polarität der Spulenspannung geachtet werden.

Bei entsprechender Auslegung des Magnetsystems können mit gepolten Systemen auch bistabile Relais realisiert werden. Diese Bauelemente weisen zwei stabile Arbeitsbereiche auf, d.h. nachdem die Kontakte durch Erregung der Spule in die andere Stellung geschaltet haben behält das Relais diese Position, auch nach Wegfall der Spulenspannung. Um ein sicheres Umschalten der Kontakte zu gewährleisten reicht bereits eine Spannungsimpulsdauer an der Spule von 20 ms. Danach kann die Spulenspannung gänzlich wegfallen. Somit wird die Verlustleistung dieser Relais um ein Vielfaches verringert, was bei der Ansteuerung durch einen Bus oder bei Batteriebetrieb einen ausschlaggebenden Vorteil bietet.

Bistabile Relais mit zwei Spulen bevorzugt

Bei der Entwicklung entsprechender Schaltaktoren für die Gebäudeinstallation werden zumeist bistabile Relais mit zwei Spulen favorisiert, da die Ansteuerung wesentlich eleganter zu realisieren ist. Beim bistabil-einspuligen System muss eine Umkehr der Spulenpolarität erfolgen, was einen erhöhten Bauteilaufwand auf der Steuerplatine zur Folge hat.

Besonders Lampenlasten stellen erhöhte Anforderun-gen an das Schaltelement. Je nach Lampentyp können Einschaltströme bis zum 20-fachen des Nominalstromes auftreten. Um solche Spitzen beherrschen zu können, kommen Relais mit speziel-len Kontaktmaterialien und geringen Prellzeiten zum Einsatz. Matsushita Electric Works hat diesen Anforde-rungen Rechnung getragen und entsprechende Relais entwickelt. Beim DE- und DJ-Relais (Bild 2) werden Kontaktmaterialien ange-wendet, die ein Verschweißen aufgrund einer Einschaltstromspitze entgegen-wirken. Dieses wird durch einen erhöhten Metalloxid-anteil realisiert. Des Weiteren wurde auf Kadmium verzichtet, so dass diese Relais bereits RoHS-konform ausgeliefert werden. Beide Relais sind als gepolte Systeme ausgelegt (Dauermagnet im Magnetkreis enthalten).

Durch diese Schaltelemente wird den Herstellern von Schaltaktoren entsprechender Spielraum beim Entwickeln geboten. Je nach der zu bewältigenden Last können zwei Klassen von Aktoren am Markt angeboten werden; das DE-Relais für mittlere Leistungsklassen und das DJ-Relais für hohe Ansprüche; und dieses zu einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis.

Aktorwahl je nach erforderlicher Leistungsklasse

Das etwas größere DJ-Relais kann Glühlampenlasten bis zu 3 kW und Halogenlampen bis zu 2 kW schalten. Weiterhin ermöglicht die optionale Handbetätigung dem Installateur die Überprüfung der Anschlüsse ohne elektrische Ansteuerung der Module. Es wurden entsprechende Versuche mit verschiedenen Lasten (Lampen, ohmsche- und induktive Lasten) gefahren, die das breite Einsatzspektrum bei der Relais verdeutlicht (siehe Lastvergleich in Tabelle 1). Diese Versuche wurden in Anlehnung an die Installationsnorm EN60669 durchgeführt, so dass der Anwender sich hierauf beziehen kann. Die geringen Abmessungen beider Relais von nur 25 x 12,5 x 12,5 mm beim DE- und 29 x 13 x 16 mm beim DJ-Relais verhelfen zu sehr kompakten Schaltaktoren für die Installationstechnik. Diese beiden Relais sind bereits in zahlreichen Applikationen bei namhaften Schaltaktorherstellern im Einsatz und haben ihre Zuverlässigkeit und Rentabilität bereits mehrfach unter Beweis gestellt.

Das intelligente Haus

Vor gut fünf Jahren wurde der Markt der Gebäudeinstallation mit hohen Zuwachsraten beziffert. Obwohl sich diese Erwartungen nicht erfüllt haben, ist trotzdem ein, wenn auch langsames, stetiges Wachstum zu erkennen. Es ist anzunehmen, dass neben den Gewerbeobjekten auch im privaten Baugewerbe die Vorteile dieser Bustechnologie vermehrt zum Tragen kommen werden. Somit lassen sich völlig neue Wohnkonzepte verwirklichen. Ein Beispiel hierfür bietet das „Haus der Gegenwart“ in München, dass auf dem Gelände der Bundesgartenschau 2005 errichtet worden ist. Hier zeigen etliche Firmen, darunter auch Matsushita, dass das so genannte „e-Home“ nicht eine Frage der Realisierbarkeit sondern nur eine Frage der Zeit ist.

*Dipl.-Ing. (FH) Claudiu Ciobotaru ist Applikationsingenieur Leistungsrelais in der Abt. Relais & Komponenten bei Matsushita Electric Works (Europe), Holzkirchen.

(ID:212555)