Dem Relais als Grundbauteil in der Elektrotechnik fällt eine wichtige Rolle zu: Das Schalten und Trennen von Schaltkreisen sowie die Isolation zwischen unterschiedlichen Stromkreisen. Hierfür ist es für die Anwendungsentwicklung notwendig, die wichtigsten Grundeigenschaften von Relais zu verstehen, um die richtigen Relais richtig in seine Anwendung zu integrieren. Diese werden unter Bezug der Interaktion von Relais mit der Anwendung vorgestellt und es wird auf typische Sachverhalte hingewiesen. Es wird Bezug genommen auf Themen wie: Wärme, Isolation, Umwelteinflüsse, Lebensdauer, elektrische Sicherheit, Brandschutz und Zuverlässigkeit - mit dem Ziel dem Anwender von Relais eine Basis zu schaffen, um die Eigenschaften von Relais im Kontext der eigenen Anwendung beurteilen zu können.

Dem Relais als Grundbauteil in der Elektrotechnik fällt eine wichtige Rolle zu: Das Schalten und Trennen von Schaltkreisen sowie die Isolation zwischen unterschiedlichen Stromkreisen. Hierfür ist es für die Anwendungsentwicklung notwendig, die wichtigsten Grundeigenschaften von Relais zu verstehen, um die richtigen Relais richtig in seine Anwendung zu integrieren. Diese werden unter Bezug der Interaktion von Relais mit der Anwendung vorgestellt und es wird auf typische Sachverhalte hingewiesen. Es wird Bezug genommen auf Themen wie: Wärme, Isolation, Umwelteinflüsse, Lebensdauer, elektrische Sicherheit, Brandschutz und Zuverlässigkeit - mit dem Ziel dem Anwender von Relais eine Basis zu schaffen, um die Eigenschaften von Relais im Kontext der eigenen Anwendung beurteilen zu können. 

Das Zeitalter der Industrialisierung weicht dem Kollaborationszeitalter: Deutsche Unternehmen können durch gezielte Zusammenarbeit große Potenziale gegenüber internationalen Wettbewerbern ausschöpfen. Um diese Chancen zu nutzen, müssen sie lernen, ihre Prioritäten klar zu setzen und sich zu fokussieren. Kollaboration entlang der gesamten Wertschöpfungskette verschafft ihnen einen entscheidenden Marktvorteil und verkürzt die Time-to-Market.

Externe Kollaboration: Der Erfolg liegt in der Zusammenarbeit über Unternehmensgrenzen hinweg. Unternehmen, die Ressourcen und Know-how mit Partnern teilen, entwickeln gemeinsam innovative Produkte. Dies stärkt die regionale Wirtschaft und senkt die Abhängigkeit von globalen Lieferketten.

Interne Kollaboration: Innerhalb einer Firma bieten kollaborative Ansätze enorme Möglichkeiten, mehr Wert zu liefern. Transparenz, klare Priorisierung und strategische Führung sind dabei essenziell. Eine kultursensible Organisationsentwicklung fördert eine neue Kultur des Verständnisses und der Zusammenarbeit. Diese Faktoren verbessern das Time-to-Market und steigern die Zufriedenheit der Mitarbeiter.

Durch die geschickte Kombination von externer und interner Zusammenarbeit werden Unternehmen zukunftsfähig und langfristig am Markt erfolgreich. Das Kollaborationszeitalter bietet die Grundlage für nachhaltiges Wachstum und Innovation.

In diesem Vortrag betrachten wir verschiedene Aspekte von Halbleiterrelais, den inneren Aufbau und für welche Art von Anwendungen sie am besten geeignet sind. Zudem wird der Unterschied aufgezeigt von klassischen Solid State Relais (SSR) und Leistungshalbleitern auf MOSFET oder IGBT Basis. Danach werden die physikalischen Eigenschaften von Halbleiterrelais genauer betrachtet und die Unterschiede in der Anwendung zu elektromechanischen Standardrelais (EMR) herausgearbeitet. In einem Ausblick werden Hybridschaltungen mit Solid State Relais und mechanischen Relais für zukünftige DC Anwendungen diskutiert.

Durch die Entwicklung der Elektrofahrzeuge hat es auf dem Markt einen Bedarf nach möglichst kleinen und leichten Hochspannungsrelais gegeben. Gerade hier

sind Reedrelais gefordert. Reedrelais können mit einer Spulenspannung von 5 V bis zu 1 kV DC schalten bei einer Leistungsaufnahme von 180mW. Die Durchbruchspannung liegt bei so einem Relais bei 3 kV DC über den Schaltkontakt. Um ein solches Relais herzustellen, benötigt es jedoch auch einen besonderen Umgang mit den Reedkontakten oder auch genannt Reedschaltern.

Ein Reedschalter besteht in der Regel aus zwei Kontaktdrähten (Paddel), die als Basis-Material eine FeNi-Legierung haben und einem Glaskörper mit Schutzgasfüllung (Stickstoff /Wasserstoff ) oder Vakuum (HV-Schalter), dessen Kontaktfl ächen mit Rhodium, Ruthenium oder Iridium beschichtet sind.

Damit der Glaskörper keine Risse bekommt und das Schutzgas oder das Vakuum nicht entweicht, muss man bestimmte Regeln einhalten, wenn man den Reedkontakt bearbeiten möchte. Hier gibt es zu beachten, dass ein gewisser Mindestabstand zum Glaskörper einzuhalten ist, wenn man die Pins schneiden oder biegen möchte. Ebenso kann der Reedkontakt auch als Positionssensor verwendet werden, was wieder einer speziellen Anordnung von Reed und Magnet bedarf. Hier erhält man durch verschiedene Anordnungen unterschiedliche Schaltergebnisse.

Bisher definieren wir die Qualität und Funktionalität technischer Oberflächen oft nur über deren Rauheit und über chemisch und strukturell vielfältige Beschichtungen. Die lebende Natur zeigt uns aber als Erfolg der Evolution, wie durch optimierte mikrotopographische Strukturen eine besonders variantenreiche Funktionalität oft auch „ohne Chemie“ maßgeschneidert wird. Für die Sicherung unserer Zukunft wollen wir durch Megatrends wie Circular Economy und damit verknüpfter Dematerialisierung die Stoffströme und deren ressourcentechnische sowie ökologische Folgen reduzieren. Deshalb sollten uns die besonderen Möglichkeiten neuartiger Gestaltung technischer Oberflächen bei gleichzeitiger Reduzierung ihrer chemischen Diversität anspornen, diese Megatrends aus unserer Ingenieurperspektive voranzutreiben. Am Beispiel der auch für elektrische Anwendungen optimierbaren Oberflächenfunktionalisierung durch Direct Laser Interference Patterning sowie neuartiger Kohlenstoff-Beschichtungen soll diese Diskussion angeregt werden.

Um die Klimaziele in Deutschland zu erreichen, müssen sowohl die Energieeffizienz als auch der Anteil der erneuerbaren Energien gesteigert werden. Dies lässt sich mit einer Umstellung der Energieversorgung von Wechselstromsystemen auf Gleichstromsysteme über alle Spannungsebenen hinweg erreichen. Allerdings stellen diese Gleichstromsysteme deutlich höhere Anforderungen an die Sicherheit. 

Das betrifft u.a. die Schaltgeräte, die für Gleichstromanwendungen etwas anders ausgelegt sein müssen. Neben passiven Beschaltungsnetzwerken gibt es auch aktive Ansätze, bei denen der Fokus auf Hybridanordnungen und der Beschaltung mit leistungselektronischen Schaltelementen liegt.

Die TU Ilmenau entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung diese nächste Generation elektrischer Schaltgeräte, die die Anforderungen an den Personen- und Anlagenschutz im Niederspannungsbereich erfüllen. Die hybriden Schaltgeräte-Konzepte kombinieren klassische mechanische Schaltelemente und leistungselektronische Schaltelemente und einen geeigneten Überspannungsschutz. Die einzelnen Komponenten müssen optimal aufeinander abgestimmt sein und der Schaltvorgang durch eine gemeinsame Steuerung koordiniert werden. 

Die mechanischen Schaltstrecken werden für Spannungen bis 800 V DC untersucht und auf Skalierbarkeit für die Spannungsebene 1.500 V DC getestet.

Der Lichtbogen ist das zentrale Schaltelement in klassischen mechanischen Schaltgeräten. Im Rahmen der Unterbrechung von Stromkreisen ist die kontrollierte und sichere Löschung des Lichtbogens die zentrale Aufgabe des Schaltprozesses. Die Unterbrechung von Gleichströmen stellt hierbei eine besonders große Herausforderung dar. Dies gilt schon für Ströme im betriebsmäßigen Ausschalten von Stromkreisen, aber vor allem auch für das sicherer Abschalten von Überlast und Kurzschluss. Hierfür werden zum einen die klassischen Löschprinzipien und Beispiele von deren Umsetzung in Schaltgeräten präsentiert. Darüber hinaus erfolgt auch die Darstellung von Varianten der Beschaltung von Schaltstrecken einschließlich deren Wirkungsweise. Neben passiven Beschaltungsnetzwerken werden hierbei auch aktive Ansätze dargestellt. Bei letzteren liegt der Fokus auf Hybridanordnungen und der Beschaltung mit leistungselektronischen Schaltelementen.

Relais sind unverzichtbare Bauteile in der Welt der Elektronik und Elektrotechnik. Sie dienen dazu, elektrische Verbraucher zu steuern und zu kontrollieren, indem sie Signale von einem Stromkreis zu einem anderen übertragen. Dabei gibt es zwei Hauptarten von Relais: elektromechanische und elektronische Relais und jetzt auch noch hybride Bauarten.

Elektromechanische Relais sind die klassische Form dieser Bauteile. Sie bestehen aus einer Spule, einem beweglichen Kontakt und einem stationären Kontakt. Wenn Strom durch die Spule fließt, erzeugt sie ein magnetisches Feld, das den beweglichen Kontakt anzieht und ihn mit dem stationären Kontakt verbindet. Dadurch wird der Stromkreis geschlossen.

Diese Relais sind robust und können hohe Ströme und Spannungen schalten. Sie finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung, wie in der Automobilindustrie, in Haushaltsgeräten und in industriellen Steuerungssystemen.

Elektronische Relais, auch bekannt als Solid-State-Relais (SSR), funktionieren auf einer rein elektronischen Basis ohne bewegliche Teile. Sie verwenden Halbleitertechnologien, um den Stromkreis zu schalten. Ein SSR besteht aus einem Optokoppler, einem Triac oder einem Transistor und anderen Komponenten.

Durch das Fehlen beweglicher Teile sind SSRs verschleißfrei und bieten eine schnellere Schaltgeschwindigkeit sowie eine präzisere Steuerung.

Elektronische Relais eignen sich besonders für Anwendungen, die eine hohe Schaltfrequenz, geräuscharmen Betrieb oder eine lange Lebensdauer erfordern. Sie finden in der industriellen Automatisierung, in der Medizintechnik und in der Telekommunikation Anwendung, aber mittlerweile auch in Fahrzeugen.

Beide Arten von Relais haben ihre Vor- und Nachteile. Elektromechanische Relais sind kostengünstig, einfach zu implementieren und können hohe Ströme schalten, aber sie sind anfällig für Verschleiß und haben eine begrenzte Lebensdauer. Elektronische Relais sind teurer, bieten aber eine bessere Leistung, Zuverlässigkeit und Präzision.

Und die Kombination aus beiden Welten als hybride Bauform bietet neue Chancen für besondere Anwendungen. 

Der Vortrag stellt die Vor- und Nachteile dieser Relaisbauarten in Anwendungen der Fahrzeugtechnik gegenüber.

Dieser Vortrag führt in die technischen Grundlagen von Hybridrelais (-Modulen) ein, zeigt konkrete Produkte für AC- und DC-Anwendungen als Ausführungsbeispiele und nennt typische Applikationen.

In der industriellen Automatisierungstechnik werden seit Jahrzehnten elektromechanische Relais als auch ihre halbleiterbasierten Geschwister, die Solid-State-Relais (SSRs), in sehr großen Stückzahlen eingesetzt. Das Anwendungsspektrum solcher Produkte ist breit: Angefangen vom reinen Signalaustausch binärer „kleiner“ mA-Signale, beispielsweise zwischen einem Sensor und einer Steuerung, bis zum klassischen AC- oder DC-Last-Schalten größerer Verbraucher wie Magnetventile, Schützspulen, elektromagnetischen Bremsen oder Motoren. Derartige Relais-Module werden typischerweise entweder in geschlossener Gehäusebauform oder als steckbare Lösungen auf Fassungen angeboten, die als besonders service-freundlich gelten, beide geeignet für die Montage auf den genormten DIN-Tragschienen.

Elektromechanische Relais und SSRs werden häufig für gleiche oder zumindest ähnliche Anwendungen eingesetzt und haben beide – wie jede Medaille zwei Seiten hat – spezifische Vorteile als auch Nachteile. So sind elektromechanische Relais relativ klein, recht universell in einem sehr weiten Last-Spektrum einsetzbar und bei geschlossenen Kontakten kurzzeitig gut überlastfähig. Jedoch ist die erreichbare Schaltspielzahl im oberen Lastbereich nicht sonderlich hoch. SSRs spielen ihre Vorteile aus, wenn eine hohe Lebensdauer bzw. Schaltspielzahl gefordert ist, da diese verschleißfrei mit Halbleitern statt mit verschleißbehafteten mechanischen Schalt-Kontakten arbeiten. Dafür erzeugen SSRs, vor allem die mit Triacs zum Schalten von AC-Lasten ausgestatteten Typen, viel Verlustwärme, die zu großen Bauformen mit Kühlkörpern führen oder den zulässigen Laststrom bei schmaleren Produkten stark einschränkt.

Hybridrelais-Module in ein- und dreiphasiger Ausführung kombinieren beide Technologien zu einer neuen Generation von Schaltprodukten, die wesentliche Vorteile vereinen und bestimmte Nachteile vermeiden. So können sehr kompakte Geräte realisiert werden, die im Schaltschrank Platz sparen und überraschende Leistungsdaten aufweisen. Zudem können leicht interessante Zusatzfunktionen integriert werden, die Standard-Schaltgeräten naturgemäß fehlen. Aufgrund der hohen erreichbaren Schaltspielzahl selbst im oberen Lastbereich sind sie häufig die erste Wahl in Anwendungen, wo Stillstandszeiten und der notwendige Service-Einsatz aufgrund ausgefallener Standard-Relais richtig teuer werden.

Digitalisierung und Elektrifizierung sind Wegbereiter für die Transformation zu einer nachhaltigen und klimaneutralen Wirtschaft und Gesellschaft. Digitale Produktpässe können bei richtiger Ausgestaltung – dezentral und sektorspezifisch – zu einem verbesserten Informationsfluss über den gesamten Produkt-Lebenszyklus beitragen. Die Einführung eines solchen Digitalen Produktpasses, wie er aktuell unter dem Gesetzesentwurf für die EU-Ökodesign-Verordnung diskutiert wird, sollte so ausgestaltet werden, dass die Bedürfnisse der gesamten Produktregulierung EU-weit einheitlich adressiert werden.

Der ZVEI hat mit dem Konzept „DPP 4.0 – Der Digitale Produktpass für Industrie 4.0“ für industrielle Anwendungen (B2B-Bereich) einen dezentralen Lösungsansatz für einen digitalen Produktpass auf Basis sog. Teilmodelle der Verwaltungsschale (IEC 63278-1) entwickelt und die Anwendbarkeit im Rahmen eines Pilotprojektes zum digitalen Typenschild erfolgreich demonstriert.

Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen, ist die Verwendung von EX-zertifizierten Komponenten essenziel. Komponenten, die eine hohe Temperatur oder einen Lichtbogen erzeugen, können eine Zündquelle für explosive Gase oder explosive Pulver sein.

Seitdem in Klimaanlagen und Wärmepumpen keine FCKW-haltigen Kältemittel verwendet werden dürfen, werden des Öfteren brennbare Alternativen verwendet. Dies stellt hohe Anforderungen bezüglich der maximalen Oberflächentemperatur und der Gasdichtheit an die dafür zu verwendeten Komponenten wie z.B. Relais. Für „Explosionsgeschützte“ Komponenten gibt es 3 EX-Zulassungen welche weltweit oder in Teilen der Welt anerkannt werden:

    IECEx, weltweit gültig.

    ATEX, in Europa vorgeschrieben.

    Hazardous Location (HazLoc), obligatorisch in Nordamerika.

Während die ATEX-Zertifizierung nur den Zugang zum europäischen und die HazLoc-Zertifizierung nur zum amerikanischen Markt ermöglicht, erlaubt die IECEx-Zertifizierung den direkten oder indirekten Zugang zu den Märkten vieler Länder der Welt, insbesondere zu Offshore-Anlagen, die außerhalb der Hoheitsgewässer der einzelnen Länder liegen und nicht unter die entsprechenden Vorschriften fallen würden.

MEMS (mikro-elektro-mechanisches System) -basierte Relais verbinden die Vorteile eines galvanisch getrennten mechanischen Relais mit der Größe und dem Stromverbrauch eines Transistors. Durch die mikromechanische Natur sind auch Mehrkanaler in verschiedenen Konfigurationen einfach zu realisieren. MEMS-Relais ermöglichen eine Miniaturisierung um Größenordnungen, haben einen geringen Stromverbrauch und schalten weit unter 100 μs. Daher stellen sie eine interessante Ergänzung und Alternative zu etablierten Relais-Technologien, wie elektromechanische Relais und Relais auf Halbleiter-Basis, dar. 

Prädestiniert sind MEMS-Relais für Anwendungen, bei denen die Baugröße eines Relais entscheidend ist und weiterhin eine galvanische Trennung benötigt wird, wie z.B. im ATE-Bereich. Hier kommt besonders ihre Skalierbarkeit durch mehrere Kanäle in einem Package zum Tragen. An Wichtigkeit zunehmen werden auch Anwendungen, die von einem geringen Stromverbrauch der eingesetzten Relais profitieren. Besonders interessant in diesem Zusammenhang ist die Zukunftsfähigkeit von MEMS-Relais durch digitale Schnittstellen und flexible Input-Möglichkeiten. 

Daher adressiert der Vortrag, nach einer Einführung in die MEMS-Technologie für Relais, mögliche Anwendungsfelder und die Vor- und Nachteile von MEMS-Relais im Vergleich zu alternativen Technologien.

Nachhaltigkeitsprojekte erscheinen durch die Einflussfaktoren von Richtlinien, Gesetzen, Normen, Kundenforderungen, Lieferketten, Bewertungskriterien etc. oftmals sehr komplex, insbesondere dann, wenn alles auf einmal zu bewältigen ist. Gleich weniger komplex wird es, wenn die Nachhaltigkeitsbetrachtung in kleineren Projekten bearbeitet wird.  

In diesem Vortrag wird eine Produktverpackung für Relais als Einstiegsprojekt in die Nachhaltigkeitsthematik vorgestellt. Die vierteilige Produktverpackung besteht aus 1 x Pappröhre mit Bedruckung, 1 x Kunststoffblister und 2 x Etiketten. Diese Verpackung wurde durch eine umweltfreundlichere Variante ersetzt. Es wird gezeigt, dass mit geringem Aufwand die Thematik fassbar gemacht wird und Erkenntnisse sehr schnell umgesetzt werden können. Der Fokus liegt auf den Massnahmen zur Verbesserung des Environmental Impact.  

Dieses Projekt ist prädestiniert, auf einfache Weise den Bezug zur Circular-Economy-Schnecke und den «R-Strategien», wie sie in der von DIN, DKE und VDI erarbeiteten «Deutschen Normungsroadmap Circular Economy» 2023 beschrieben sind, herzustellen.