Halbleiterrelais – Grundlagen

Hier ist jetzt der Blog zu Halbleiterrelais (Solid State Relays, SSRs), den ich in meinem letzten Blog zu mechanischen Relais angekündigt hatte. SSRs erfüllen dieselben grundlegenden Funktionen wie mechanische Relais. In diesem Blog werde ich jedoch darauf eingehen, wie sie intern funktionieren und warum man ihnen den Vorzug gegenüber mechanischen Relais geben sollte. Außerdem werde ich einige Fachbegriffe näher erläutern.

SSRs setzen sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen: einem Sensor, einem Schaltelement und einem Kopplungsmechanismus. Die Kopplung erfolgt üblicherweise optisch, um die galvanische Trennung von Steuer- und Signalkreis zu gewährleisten. Das Eingangssignal schaltet eine interne LED ein, die ihrerseits eine fotosensitive Diode einschaltet. Die Diode aktiviert einen SCR, Thyristor oder MOSFET, sodass ein Signalfluss zu den Ausgangspins möglich ist.

SSRs arbeiten in der Regel schneller als mechanische Relais, da sie keine beweglichen Teile enthalten. Die Auslösezeit wird dadurch erheblich verkürzt, Kontaktprellen spielt keine Rolle, die Lebensdauer der Relais ist länger und es tritt kein akustisches Rauschen auf. Einige Nachteile von SSRs sind, dass ihr Kontaktwiderstand höher ist als der eines mechanischen Relais und dass sie anfälliger für Beschädigungen durch Stoßströme sind. Wird das interne Schaltelement beschädigt, ist das Relais nutzlos.

Ein Punkt, der die Käufer von SSRs üblicherweise beschäftigt, sind die Ausgangstypen. Sie sind in der Lage, DC, AC oder eine Kombination aus beiden zu schalten. Beim Schalten von AC gibt es unter anderem folgende Optionen: Nulldurchgang, Proportionalsteuerung oder Asynchron. Werfen wir einen Blick auf die Unterschiede zwischen diesen Typen.

Nulldurchgang („Synchron“): Nach dem Anlegen der Steuerspannung wird das Relais erst bei einem Nulldurchgang der Lastspannung eingeschaltet. Die nachstehende Abbildung zeigt, dass die DC-Steuerspannung am Eingang anliegt. Die AC-Lastspannung fließt jedoch erst nach Linie 1 durch den Ausgang. Hierbei handelt es sich um den ersten Nulldurchgang der Sinuswelle. Die Last wird erst dann wieder ausgeschaltet, wenn die Sinuswelle zum ersten Mal nach dem Abschalten der Steuerspannung einen Nulldurchgang aufweist (Linie 1 kennzeichnet den Einschaltpunkt und Linie 2 den Ausschaltpunkt).

Abbildung 1: Bei Nulldurchgang schaltendes Relais (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Proportionalsteuerung: In diesem Fall ist der durch die Last fließende Strom direkt proportional zum analogen Steuersignal am Eingang. Das Steuersignal kann verschiedene Formen aufweisen, z. B. 0-5 V_DC, 4-20 mA und 0-10 V_DC. Diese unterschiedlichen Signalausgänge sind üblicherweise bei Beleuchtungs- oder Heizanwendungen anzutreffen.

Asynchron („Direkteinschaltung“ oder „Zufälliges Einschalten“): Der Ausgang dieser Relais wird eingeschaltet, sobald am Eingang eine Spannung anliegt. Wenn keine Spannung mehr anliegt und die Sinuswelle Null erreicht, werden sie ausgeschaltet.

Für weitere Informationen zu elektromechanischen Relais oder Relais im Allgemeinen lesen Sie bitte den Blog Mechanische Relais – Grundlagen oder sehen Sie sich das folgende Video an.