Wissenswertes über Solid State Relais

Solid State Relais, kurz SSR genannt, erfüllen dieselbe Aufgabe wie ihre elektromechanischen Kollegen. Angeregt von einem Steuerstrom schließen und unterbrechen sie auf Wunsch mit ihnen verbundene Stromkreise. Sie setzen dafür auf Halbleitermaterialien und kommen ohne bewegliche Teile aus.

Was ist ein Solid State Relais?

 

Halbleiter-Relais werden wie Schalter eingesetzt. Sie unterbrechen auf Wunsch einen Stromkreis oder schließen ihn wieder. Relais werden dabei nicht von Hand betätigt, sondern durch einen Steuerstrom angesprochen: Werden sie durch einen Stromfluss aktiviert, schalten sie selbstständig.

Klassische elektromechanische Relais bewerkstelligen das durch eine Spule. Diese wird vom Steuerstrom durchflossen und baut dadurch ein Magnetfeld auf. Das sorgt dafür, dass ein sogenannter Anker von der Spule angezogen wird und sich bewegt. Am anderen Ende des Ankers befinden sich die beiden offenen Arbeitskontakte. Diese werden durch die Bewegung des Ankers zusammengedrückt und der Stromkreis geschlossen.

Solid State Relais machen sich einen anderen Mechanismus zunutze und kommen vollständig ohne bewegliche Teile aus. Sie basieren auf Halbleiterbauteilen wie Transistoren, Thyristoren oder Triacs.

Bei Transistoren handelt es sich um schaltbare Widerstände, während Thyristoren schaltbare Dioden sind, die nach Anlegen eines Steuerstroms solange leitfähig bleiben, bis der Laststrom einen bestimmten Mindeststrom unterschreitet. Antiparallel verschaltete Thyristoren heißen Triacs. Werden diese gängigen aktiven Bauelemente zusammen in einer Schaltung untergebracht, entsteht ein SSR-Relais.

Transistoren und Thyristoren sind nur dann leitfähig, wenn ein Strom an ihrer Basis anliegt. Über diesen Anschluss wird der Zustand des Bauteils bestimmt. Realisiert wird das über verschiedene Halbleiter innerhalb des Bauelements. Jeweils einem der Halbleiterelemente werden Elektronen entzogen, während das andere Element zusätzliche Elektronen erhält. Dieser Vorgang heißt Dotierung. So entstehen p-dotierte sowie n-dotierte Halbleiterkristalle, die jeweils als Elektronenakzeptor beziehungsweise -donator fungieren. Diese werden miteinander verbunden und bilden einen p-n-Übergang. Bei einem Transistor finden sich zwei, bei einem Thyristor drei dieser Verschaltungen. Wird an die Übergänge ein Steuerstrom angelegt, werden so freie Elektronen in die Zwischenschicht injiziert. Dadurch wird der Übergang in eine Richtung leitfähig und der Strom kann durch das Halbleiterrelais fließen. Der Stromkreis ist somit geschlossen.

Vor- und Nachteile im Vergleich zu mechanischen Relais

Solid State Relais werden genauso wie ihre elektro-mechanischen Äquivalente in verschiedenen Bereichen zur Schaltung von Laststromkreisen eingesetzt. Beide besitzen durch ihre Funktionsweise jeweils Vor- und Nachteile, sodass die Wahl des Relais abhängig von Einsatzgebiet und Applikation getroffen werden muss.

Halbleiterrelais nehmen durch ihre kompakte Bauform deutlich weniger Platz in Anspruch und verfügen über keine beweglichen Teile. So sind sie deutlich weniger anfällig bei Vibrationen und Stößen und verschleißen nicht. Solid State Relais verfügen zudem über eine sehr geringe Ansprechzeit, sodass sie eine deutlich höhere maximale Schaltfrequenz bieten. Zudem verfälschen SSR das durch sie fließende Signal deutlich weniger.

Dadurch, dass Halbleiter Strom nie absolut widerstandsfrei leiten, erwärmen sich die Relais unter Last. Auch sind die Stromkreise oft nicht vollständig galvanisch getrennt, was zu Problemen führen kann. Sie sind zudem anfälliger bei zu hohen Strömen und Überspannungen, die schnell zu Schäden am Bauteil führen.

Elektromechanische Relais bieten durch ihre vergleichsweise geringere Leistungsaufnahme Vorteile beim Schalten von niedrigen Stromleistungen. Sie sind zudem etwas günstiger als SSR verfügbar.

Was ist beim Kauf eines Solid State Relais zu beachten?

Solid State Relais werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt und besitzen daher unterschiedliche Spezifikationen. Zuerst sollten Sie anhand der genannten Kriterien entscheiden, ob ein klassisches Relais oder ein SSR zum Einsatz kommen soll.

Benötigen Sie ein Solid State Modul, sollten Sie auf einige Eckdaten achten, um das passende Bauteil für Ihren Einsatzzweck zu finden und Schäden am Relais zu vermeiden. Diese finden sie auf der jeweiligen Produktseite in den technischen Daten oder im Datenblatt, dass sie dort unter „Dokumente & Downloads“ finden.

Besonders wichtig sind die Grenzwerte für die anzulegende Steuerspannung. Wird der minimale Wert unterschritten, schaltet das Relais nicht, während eine überhöhte Spannung oder Steuerstromstärke das Relais zerstört.

Die Schaltspannung gibt die maximale Spannung an, die am geschalteten Laststromkreis anliegen darf. Einige Relais sind nur für den Betrieb mit Gleichstrom ausgelegt, andere nur für den Betrieb mit Wechselstrom. Dies ist von den Herstellern im jeweiligen Datenblatt vermerkt. Einige Halbleiterrelais weisen zudem unterschiedliche maximale Schaltspannungen auf. Das ist von der Stromart abhängig.

Auch im Normalbetrieb erwärmen sich Halbleiterrelais, da das Halbleitermaterial nie ganz verlustfrei leiten kann. Ob das jeweilige Relais deswegen auf einen Kühlkörper montiert werden muss, entnehmen Sie der Produktbeschreibung.

Müssen die beiden Stromkreise galvanisch voneinander getrennt sein, lohnt sich ein Optokopplerrelais. Hier sendet bei der Zündung eine Leuchtdiode ein Lichtsignal an einen als Sensor fungierenden Fototransistor, der daraufhin zündet. PhotoMOS-Relais arbeiten sehr ähnlich. Bei ihnen wird das Licht der LED von einer Solarzelle aufgefangen, die das Signal wieder in eine elektrische Spannung zurückverwandelt. Bei diesen besonderen Formen ist so der Steuerstromkreis vollständig vom Laststromkreis entkoppelt.

Fazit

Halbleiterrelais bieten durch ihre statische Funktionsweise einige Vorteile gegenüber den klassischen mechanischen Relais und lohnen sich somit in verschiedenen Bereichen als platzsparende Alternative. Ihr Aufbau ermöglicht hohe Schaltfrequenzen ohne anfällig gegenüber Vibrationen zu sein.

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