Solid-State Halbleiterrelais

Ein Halbleiterrelais (Solid-State Relay, SSR) ist ein elektronischer Schalter mit keinerlei beweglichen Teilen, der sowohl Schwachstromsteuerungen als auch Lasten mit hoher Stromstärke unterstützt. Halbleiterrelais sind darauf ausgelegt, entweder Wechselstrom oder Gleichstrom mit verschiedensten Lasten von Heizelementen zu Motoren und Transformatoren zu schalten. Dabei nehmen sie in vielen Anwendungen zunehmend den Platz von elektromechanischen Relais (EMRs) ein.

 

Märkte

Während EMRs derzeit den Großteil des Marktes für Relais abdecken, ziehen SSRs aktuell mit immer größeren Schritten nach. Ausschlaggebend für diese Entwicklung sind insbesondere die Verbesserungen der Schalteigenschaften und der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitern sowie der immer kleiner werdende Preisunterschied. SSRs kosten bei niedrigeren Ampere-Zahlen etwa doppelt so viel wie EMRs, bei höheren Zahlen etwa dreimal so viel. Für viele Märkte, darunter die Automobilbranche, kann dies eine schwerwiegende Einschränkung darstellen. Im Bereich Herstellungs- und Prozessautomatisierung sind Relais nicht unbedingt ein ausschlaggebender Kostenfaktor, wohingegen der Stillstand von Maschinen deutlich kostspieliger sein kann. Die etwas kostspieligeren SSRs bestechen unter anderem mit ihrer höheren Zuverlässigkeit, der höheren Betriebsdauer und der vergleichsweise geringen Maße, und sind EMRs in Anwendungen dieser Art daher einen Schritt voraus.

 

Lebensdauer und Zuverlässigkeit

SSRs nutzen Halbleiter-Schaltelemente wie Thyristoren, TRIAC Thyristortrioden und MOSFETs, um den Laststrom zu schalten. Zunächst unterscheiden sich SSRs und EMRs in Sachen Zuverlässigkeit nur geringfügig, doch da SSRs ohne bewegliche Teile auskommen, werden sie sich insbesondere im Laufe der Zeit einen Vorsprung gegenüber EMRs verschaffen können. Im Gegensatz zu EMRs, deren Lebensdauer von der Schaltlast und der Anzahl an Schaltzyklen abhängt – typische Werte liegen im Bereich von 100.000 bis 500.000 Zyklen –, wird die Zuverlässigkeit von SSRs hauptsächlich von der Dauer bestimmt, über die sie sich in Betrieb befinden. Bei Gebrauch innerhalb der Spezifikationen des Herstellers kann die MTBF („mittlere Zeit zum ersten Ausfall“) durchaus im Bereich von 2-4 Millionen Stunden liegen, während typische Angaben für die Anzahl an Schaltzyklen je nach Anwendung und unter normalen Betriebsbedingungen von 50 Millionen bis 500 Millionen reichen können.

 

Schaltungen, Energie und Steuerung

SSRs schalten sich innerhalb von 20 Mikrosekunden und 10 Millisekunden nach Erhalt eines Eingangssignals sowie nach einem halben AC-Zyklus, nachdem dieser abgelegt wurde, ein (für Versionen zur DC-Steuerung). Je nach Typ und Rating können EMRs maximal lediglich 10 bis 20 Mal pro Sekunde schalten; und je höher die Schaltfrequenz der Anwendung ist, desto geringer ist die MTBF. Bei Einsätzen in Anwendungen mit Heizgeräten kann die kurze Schaltzeit eines SSR die Lebensdauer des Heizgeräts deutlich erhöhen, da somit thermische Belastungen verringert werden. SSRs erlauben zudem das Schalten hoher Lasten mit sehr niedriger Eingangsleistung; ein 15-mA-Logiksignal kann beispielsweise ein Relais mit bis zu 125 A auslösen. Ein weiterer Vorteil, der auf der kurzen Schaltzeit von SSRs beruht, liegt in der Kontrolle des Phasenwinkels. So kann im Grunde genommen mehr Strom an das nachgeschaltete Gerät weitergegeben werden, da hierbei der Abschnitt des AC-Halbzyklus verstärkt wird, in dem sich das Relais im Zustand AN befindet. Diese Art der Steuerung ist mit EMRs nicht möglich.

 

Kontakte

Bei EMRs führt die Prellung der Kontakte zu kurzfristigen Unterbrechungen und einer verringerten Lebensdauer der Kontakte. Bei SSRs hingegen ist dies nicht der Fall, da diese nicht über Kontakte verfügen. Die Prellung von Kontakten ist besonders in Anwendungen unerwünscht, bei denen Relais zur Zählung von Impulsen eingesetzt werden. Hinzu kommt, dass bei SSRs keinerlei Abstufung durch den Abbrand von Kontakten erforderlich ist, wohingegen Hersteller von EMRs stets die maximale Schaltkapazität der Relais anzugeben haben. Diese wird in der Regel in Watt angegeben. EMRs erfahren eine erhebliche Abstufung im Hinblick auf die Maximalspannung und den Maximalstrom. Diese Abstufung geht dabei oftmals über die Herstellerempfehlungen hinaus, um die Lebensdauer der Kontakte zu verlängern. In vielen Fällen platziert diese Abstufung die tatsächlich von dem EMR verarbeitete Last dabei innerhalb des Betriebsbereichs eines SSR (siehe Abbildung 1, zur Verfügung gestellt von Crydom).

Stöße und Geräusche

SSRs sind nicht gar so empfindlich gegenüber physischen Stößen, Vibrationen und Beschleunigungen, da sie keinerlei bewegliche Teile beinhalten. In Testanwendungen konnten SSRs eine um bis zu 10-fach höhere Stoßfestigkeit als EMRs aufweisen. Ein weiterer Vorteil ist ihr geräuschloser Betrieb, der sich insbesondere in medizinischen Anwendungen, bei Umgebungs- und Beleuchtungssteuerungen sowie für viele andere Anwendungen als besonders wertvoll erweist, wohingegen ein EMRs bei Schaltvorgängen ein hörbares Geräusch erzeugt.

 

Einschränkungen

Trotz allem sind bei SSRs neben dem Kostenfaktor noch weitere Einschränkungen gegenüber EMRs zu berücksichtigen. Zum Beispiel Wärmeableitung: Bei SSRs liegt im Zustand „AN“ noch immer eine Restspannung an, die zusammen mit dem Stromfluss in der TRIAC-Thyristortriode Wärme erzeugt, die wiederum beispielsweise mit Hilfe eines Kühlkörpers abgeleitet werden muss. In vielen Fällen kann es abhängig von zahlreichen Faktoren – darunter die Last, die Umgebungstemperatur und das Panel-Material – auch ausreichen, das Relais an dem Metallgehäuse des Panels anzubringen.

Ein weiterer einschränkender Punkt ist der Leckstrom im Zustand „AUS“. Dabei fließt ein niedriger Reststrom an das jeweilige Gerät weiter, der insbesondere bei Anwendungen zur Steuerung sehr geringer Lasten (beispielsweise in kleinen Magnetventilen) nachteilig sein kann. Weitere Einschränkungen können durch den Einsatz verschiedenster Schutzgeräte verhindert werden, darunter Klemmdiodenkreise zur Steuerung von dV/dt beim Einschalten oder durch Netzinterferenzen, sowie Geräte zum Schutz vor Überspannung und ähnlichen Störungen durch den Netzanschluss oder durch Komponenten wie Motoren und Magnete.

 

Lager

RS führt eine umfassende Sammlung an SSRs und Zubehörteilen, darunter Filter, Kühlkörper, Adapter, Abdeckungen und Montagesätze von führenden Herstellern wie Omron, Panasonic und Siemens. Eine besonders weit verbreitete Marke für SSRs ist die Crydom-Reihe: Diese Serie umfasst ein breites Portfolio an AC- und DC-Output SSRs mit Paketen zur Panel-Montage als Industriestandard, sowie zur Leiterplatten- und DIN-Schienen-Montage. Ebenso enthalten ist eine Vielzahl an Halbleiterschützen, die insbesondere in dreiphasigen AC-Heizgeräten sowie in Motorsteuerungen eingesetzt werden.

Zu den neuesten Mitgliedern der Crydom-Sammlung an SSRs zählt die CRK-Reihe mit AC-Ausgang und 22,5-mm-DIN-Schienen-Montage. Diese Reihe zeichnet sich besonders durch die Nullspannung für ohmsche Lasten und den verzögerungsfreien Einschaltvorgang zur Phasenkontrolle oder für Motorschaltungen aus. Die Produkte der CKRA-Reihe sind auf 110 bis 280 V (AC) im Eingang ausgelegt, während CKRD-Modelle das Angebot mit Komponenten für 4 bis 32 V (DC) im Eingang abrunden.