Wissenswertes zu Optokoppler-Relais

Relais dienen in vielen Bereichen von Industrie und Haushalt dazu, Schaltvorgänge zu steuern und gleichzeitig Steuer- und Schaltstromkreise voneinander zu trennen. Um die Nachteile mechanischer Relais zu überwinden, haben Optokoppler-Relais Einzug in die Welt der Schaltungen gehalten. Wie diese digitalen Schalter funktionieren und wie Sie sie zweckmäßig einsetzen, zeigt Ihnen unser Ratgeber.

Was sind Optokoppler-Relais?

Optokoppler sind digitale Relais, die die gleichen Aufgaben wie herkömmliche mechanische Relais erfüllen. Allerdings schalten sie auf Basis einer anderen elektronischen Lösung.

Mit einem Steuersignal wird ein Schaltvorgang (Öffnen oder Schließen) für einen anderen Stromkreis ausgelöst. Damit wird zugleich eine galvanische Trennung der beiden Stromkreise erreicht. Analoge Relaismodule haben konstruktionsbedingte Nachteile: Das Schaltprellen mit dem Abstrahlen hochfrequenter Störungen, der Kontaktabbrand durch Schaltlichtbögen, die Ermüdung von Federkraft. Dadurch ist ihre Lebensdauer trotz der Verwendung von High-End-Materialien und elektronischen Hilfsschaltungen auf zirka 10 bis 20 Millionen Schaltzyklen begrenzt. Bei sich wiederholenden Schaltvorgängen im Sekunden- oder Minutenbereich ist diese Lebensdauer bereits nach wenigen Monaten erreicht. Dazu kommt der Nachteil der Schaltverzögerung, die sogenannte Ansprechzeit, vom Anlegen der Schaltspannung bis zum tatsächlichen Schaltvorgang, und die Rückfallzeit, bedingt durch den Auf- oder Abbaudes Magnetfeldes durch die Relaisspule.

Relais, die mit einem Optokoppler gesteuert werden, umgehen die elektromechanischen Schwächen analoger Relais. Sie besitzen keine mechanischen Schaltelemente, wodurch sie – bei Einhaltung der elektrischen Kenngrößen – eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer (Abkürzung MTTF für Mean Time to Failure) haben.

Ein weiterer bedeutsamer Pluspunkt von Optokoppler-Relais ist, dass sie quasi verzögerungsfrei und geräuschlos arbeiten. Mit einer vorgeschalteten Elektronik können Spannungsbereiche definiert werden, in denen das digitale Relais offen oder geschlossen ist. Das erhöht die Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten. Weiterhin sind sie schock- und vibrationsunempfindlich und ihre Herstellung verbraucht weniger wertvolle Metalle.

Wie sind Optokoppler-Relais aufgebaut?

Ein Optokoppler besteht aus speziell miteinander kombinierten Halbleitern, aufgeteilt in einen Steuerstrom- und den zu schaltenden Laststromkreis. Beide sind galvanisch voneinander getrennt.

Auf der Steuerseite befindet sich eine Eingangselektronik, die die Steuerspannung verarbeitet. Damit wird letztlich eine Leuchtdiode ein- oder ausgeschaltet.

Auf der Schaltseite, dem Ausgang, kommen anstatt mechanischer Kontakte Halbleiter als Schaltelemente zum Einsatz. Dafür werden folgende Bauelemente eingesetzt:

  • Schalttransistor: Der eigentliche Schalter ist die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors. Der Basisanschluss ist die Steuerelektrode.
  • Triac: Das ist eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren mit einem gemeinsamen Steueranschluss. Mit Triacs können auch Wechselspannungen geschaltet werden.
  • MOS-FET: Hier werden selbstsperrende MOS-FET verwendet, die für die Ansteuerung nahezu keine Leistung benötigen.

Der eigentliche Schaltvorgang an den Halbleitern wird durch ein lichtempfindliches Bauelement realisiert, das an die jeweilige Steuerelektrode angeschlossen ist. Strahlt die LED auf das lichtempfindliche Teil, steuert das lichtempfindliche Bauelement den Eingang des Schalt-Halbleiters an, der daraufhin die bislang gesperrte Spannung zum Verbraucher durchlässt.

Die naturgemäßen Durchlassspannungen von Halbleitern im gesperrten Zustand werden durch eine umgebende Elektronik kompensiert. Verpolschutz-Dioden sorgen dafür, dass ein Optokoppler-Relais bei falsch angeschlossener Spannung nicht zerstört wird. Zusätzlich verbaute Filter sorgen für die Unterdrückung eventuell hochfrequenter Störimpulse.

Der Schaltvorgang vollzieht sich hier im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Relaismodulen nahezu verzögerungsfrei. Das ermöglicht Schaltfrequenzen bis 100 Kilohertz und darüber, was die Einsatzmöglichkeiten wesentlich erweitert. Durch den Entfall von Schaltlichtbögen können Optokoppler in Bereichen eingesetzt werden, in denen explosive oder korrosive Bedingungen herrschen. Speziell dafür entwickelte Optokopplermodule tragen die Zusatzbezeichnung SIL, was für Safety Integrity Level – eine Sicherheitsstufe im Rahmen der funktionalen Sicherheit – steht.

Integrierte Schutzbeschaltungen sorgen für ausreichende Reserven bei Anwendungen mit ohmscher sowie induktiver und kapazitiver Last.

Es existieren unterschiedliche Bau- und Gehäuseformen für verschiedene Strom- und Spannungsbereiche. Darunter sind sogenannte Reihenklemmengehäuse oder Gehäuse für die Montage auf standardisierten Tragschienen (Hutschienen) zu finden. Wo es auf eine schnelle Möglichkeit zum Wechseln digitaler Relais ankommt, werden Basisklemmblocks auf Hutschienen montiert, in die die Optokoppler-Relais nur noch gesteckt werden müssen. Da keine mechanischen Bauteile zum Einsatz kommen, haben Optokoppler in der Regel eine geringe Gehäusegröße, die sich bei den Modellen für Hutschienenmontage in einer Breite von nur wenigen Millimetern niederschlägt.

Die Anschlüsse für die Steuer- und Schaltspannungen sind als Schraub-, Zugfeder- oder Steck-Befestigungen ausgeführt. Viele Modelle sind mit Status-LEDs ausgestattet.

Wo werden Optokoppler-Relais eingesetzt?

Die auch Solid-State-Relais genannten Bausteine werden in industriellen Anwendungen eingesetzt, für die eine Potentialtrennung und Anpassung des Signals ohne Schaltverstärkung ausreichend ist, beispielsweise als Schnittstellenmodul zwischen Prozessperipherie sowie Steuer-, Melde- und Regeleinrichtungen. Mit ihrer hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer eignen sich Optokoppler für viele industrielle Automatisierungseinrichtungen. Auch stark vibrierende Maschinen zum Beispiel im Bauwesen profitieren von den modernen Schaltern. In Abfüllanlagen beispielsweise für Gase sorgt das Schalten ohne mechanische Kontakte für ein großes Sicherheitsplus.

Praxistipp: Achten Sie auf die Lebensdauer

Auf standardisierten Steckplätzen lassen sich in vielen Fällen mechanische gegen Optokoppler-Relais austauschen. Bei größeren Stückzahlen lohnt vorab eine Berechnung des Preis-Leistungs-Verhältnisses. Leistung meint hier die Lebensdauer.

Was ist beim Schalten von Optokopplern zu beachten?

Wenn induktive Verbraucher wie Schütze, Magnetventile oder Motoren geschaltet werden, treten im Augenblick des Abschaltens hohe Überspannungen auf. Hiergegen sind elektronische Bau- und Schaltelemente besonders empfindlich. Zum Schutz gegen Zerstörung muss deshalb generell eine Schutzbeschaltung vorhanden sein, die bei den meisten Relais mit Optokopplermodus bereits integriert ist. Informieren Sie sich vor dem Einsatz darüber, welche Lasten die Relais beim Schalten verkraften.

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