Die Kontakte von Relais können durch die Hitze der bei Schaltvorgängen entstehenden Lichtbögen miteinander verschmelzen – mit der gefährlichen Folge, dass eine Maschine selbst bei der Betätigung des Not-Aus-Schalters weiterlaufen würde.

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 zum Beispiel 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 – laut Norm mit einer Mindestöffnung von 0,5 mm. 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. 

Halbleiter- versus Sicherheitsrelais

Halbleiterrelais sind im Grunde genommen gar keine richtigen Relais. Sie bestehen nicht aus beweglichen Teilen wie ein Relais, sondern aus Halbleiterbauelementen, Transistoren, MOSFETs, Thyristoren, Diacs und Triacs, mit denen eine Relaisfunktion realisiert wird. Das Schaltelement in einem Halbleiterrelais ist ein Schalttransistor, Triac oder MOSFET, den ein Fotowiderstand oder -transistor (Optokoppler) steuert. Halbleiterrelais eignen sich insbesondere für Anwendungen, in denen hohe Lasten häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen. 

Sicherheitsrelais von Hengstler.

© Hengstler

Relais mit zwangsgeführten Kontakten (Sicherheitsrelais) erzeugen 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 hingegen reagieren relativ empfindlich gegenüber Stoßströmen, da die integrierte C/R-Dämpferschaltung nicht ausreicht, um die Spitzen zu unterdrücken. Deshalb wird die kurzzeitige maximale Spitzenspannung des Halbleiterrelais überschritten und es kommt zu einem Überspannungsschaden. 

Halbleiterrelais verfügen 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

Leslie Wenzler ist Manager Marketing und Communications bei Hengstler in Aldingen.

© Hengstler

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Schalttechnologien ergänzen sich Sicherheits- und Halbleiterrelais ideal. Die Summe ihrer Eigenschaften ergibt eine sehr effektive Sicherheitssteuerung – insbesondere für Anwendungen, in denen in kurzen Abständen hohe Lasten geschaltet werden. 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, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, der Kunststoffindustrie (Extruder) oder in Klima-Anlagen und Lötsystemen. Auch in Beleuchtungs- und Pumpensteuerungen werden die verschleißfreien Relais oft verbaut. 

Bahn- und Aufzugstechnik

Neben Anwendungen mit beiden Relaistypen gibt es zahlreiche Applikationen, in denen ausschließlich Sicherheitsrelais verbaut werden. In der Regel sind dies 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. Das Safety Integrity Level bezieht sich auf die Zuverlässigkeit von Sicherheitsfunktionen – die Anforderungen an die einzelnen SILs definiert die Norm EN 61508. Je höher die Gefahr ist, die von einer Anlage ausgeht, desto höher sind auch die Anforderungen an deren funktionale Sicherheit und desto höher ist auch das Safety Integrity Level. 

Funktional sichere Schaltungen

Auf Basis von Relais mit zwangsgeführten Kontakten lassen sich die Schaltungen für SIL3- und SIL4-Applikationen mit deutlich weniger Aufwand realisieren als mit Halbleiterrelais – vorausgesetzt, die Schaltung ist korrekt ausgelegt. Die Kosteneinsparungen resultieren unter anderem aus den geringeren Stückkosten der Relais und dem geringeren Installationsaufwand, da keine Kühlkörper erforderlich sind. Gleichzeitig bieten die Sicherheitsrelais eine hohe Absicherung gegen unerwünschte Bewegungen von Anlagenteilen im Fehlerfall. 

Im Bereich Bahntechnik sind Sicherheitsrelais beispielsweise von Hengstler in vielen Anwendungen zu finden – sie werden in Türsteuerungen und Bremssystemen von Schienenfahrzeugen eingesetzt sowie zum Monitoring von Bahnübergängen oder im sogenannten ‚Totmannschalter‘, den der Triebfahrzeug- oder Lokführer regelmäßig betätigen muss. Tut er es nicht, wird der Zug automatisch sicher gestoppt. 

Auch bei sogenannten Hauptsignalen kommen Sicherheitsrelais von Hengstler häufig zum Einsatz. Diese Signale zeigen dem Lokführer an, ob der vor ihm liegende Gleisabschnitt befahren werden darf oder ob er noch durch einen vorausfahrenden Zug blockiert ist. Das Hauptsignal wird vom zuständigen Stellwerk gesteuert und überwacht. Dies geschieht mittels mehrerer Sicherheitsrelais. Fährt ein Zug an einem roten Signal vorbei, überträgt automatisch eine am Signal befindliche Magnetspule diese Information auf die darauf abgestimmte Magnetspule auf der Lok. Die Magnetspule auf der Lok aktiviert dann umgehend die Bremsen des Zuges und bringt ihn so zum Stillstand.

Sicherer Ausstieg garantiert

In Aufzügen dienen Sicherheitsrelais hauptsächlich zur Steuerung der Türen. Sie sorgen dafür, dass Personen erst aussteigen können, wenn die Kabine ihre sichere Endposition erreicht hat. Bei Aufzügen mit Komfortschaltung ist ein Ausstieg auch möglich, bevor der Aufzug steht: Die Relais mit zwangsgeführten Kontakten stellen hier sicher, dass sich die Türen nur in einer bestimmten Zone und nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit öffnen lassen.