Einleitung

Relais spielen eine bedeutende Rolle in elektrischen Steuerungssystemen. Es gibt viele Arten von Relais wie elektromagnetische Relais, Zeitrelais und thermische Relais. Solid State Relais (SSRs) sind eine davon. Sie können elektrische Geräte mit einem Niederspannungs-Steuersignal mit Strom versorgen/unterbrechen. In diesem Artikel besprechen wir SSRs, ihre Funktionsweise und ihre Anwendungen.

Einführung in Relaistypen

Es gibt Zeiten, in denen wir ein elektrisches Hochspannungs-/Hochstromgerät mit einem kleinen Signal steuern müssen. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Szenario vor, in dem wir einen 220-V-Einphasen-1-PS-Motor mit einem kleinen Schalter/Taster oder mit einer SPS steuern müssen. In einer solchen Anwendung kann der Motor nicht direkt an die SPS oder den Schalter angeschlossen werden. Dies übersteigt nicht nur die Nennleistung des Schalters, sondern stellt auch eine elektrische Gefahr dar, da mit hohen Spannungen und Strömen umgegangen wird.

Relais sind in solchen Fällen nützlich. Ein Relais ermöglicht es uns, ein großes Gerät, das einen höheren Strom zieht (z. B. eine 220-V-20-A-Last), mit einem kleinen Spannungssignal (24 V, 100 mA) zu steuern. Ein Relais sorgt auch für eine elektrische Isolierung zwischen der Hochspannungsseite und der Niederspannungsseite. Relais sind Ein/Aus-Geräte, die nur diese beiden unterschiedlichen Betriebsmodi haben.

Bevor wir uns mit Halbleiterrelais befassen, wollen wir einige der beliebtesten Arten von Relais auf dem Markt durchgehen, um zu verstehen, wie ein normales Relais funktioniert.

Es gibt viele Arten von Relais auf dem Markt. Im Allgemeinen handelt es sich um elektrisch gesteuerte Ein-/Ausschalter, die ein-/mehrpolig und umschaltbar sind. 

Hier sind einige der gängigen Relaistypen und ihre Funktionalität in Kürze:

• Elektromagnetische/elektromechanische Relais
  • Dies sind die beliebtesten und generischsten Arten von Relais. Sie bestehen aus einem mechanischen Arm, der den Kontakt mit den leitenden Kontaktanschlüssen des Relais herstellt/unterbricht und durch Anlegen einer Spannung an die eingebaute Spule betätigt wird. Elektromagnetische Relais können sowohl AC- als auch DC-Geräte steuern. Elektromagnetische Relais sind in verschiedenen Spulenspannungen und Kontaktleistungen erhältlich.
• Kleine Signalrelais
  • Kleinsignalrelais finden sich hauptsächlich in Automobil- und Industrieautomatisierungsanwendungen. Hierbei handelt es sich um Miniaturversionen von elektromechanischen Relais, die Niederspannungs- und Niederstromsignale schalten, wie z. B. digitale SPS-Ausgangssignale.
• Zeitverzögerungsrelais
  • Zeitverzögerungsrelais bestehen aus einem eingebauten Timer und einem elektromechanischen Relais, um das Einschalten nach Anlegen eines Einschaltsignals zu verzögern. Diese befinden sich in Motorsteuerkreisen zum Starten von Hochleistungsmotoren.
• Polarisierte Relais
  • Polarisierte Relais sind eine spezielle Art von Relais, die empfindlich auf die Richtung des angelegten Stroms reagieren. Wenn ein Gleichstrom in einer bestimmten Polarität an die Spule angelegt wird, schaltet das Relais in eine bestimmte Position und aktiviert einen bestimmten Satz von Kontakten. Wenn die Polarität vertauscht wird, aktiviert es einen anderen Satz von Kontakten. Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, kehren einige polarisierte Relais in eine „neutrale Position“ zurück, um alle Kontakte zu unterbrechen.

Der andere beliebteste Relaistyp ist das Halbleiterrelais. Lassen Sie uns mit dem Verständnis über die Relais, das wir bisher haben, über Halbleiterrelais sprechen.

Was ist ein Halbleiterrelais?

Ein Halbleiterrelais (auch als SSR bekannt) ist ein weiterer Relaistyp, der mit einem kleinen AC/DC-Eingangssignal arbeitet. SSRs funktionieren sehr ähnlich wie EMRs (Electro-Meahcnical Relays). Sie haben jedoch nicht die beweglichen Komponenten. SSRs verwenden stattdessen elektrische und optische Komponenten (was den Namen Solid-State ergibt), um die Schaltaufgabe auszuführen und das Eingangssignal von der Schaltseite isoliert zu halten.

Ähnlich wie ein elektromechanisches Relais bieten auch Halbleiterrelais im geöffneten Zustand einen nahezu unendlichen Kontaktwiderstand/eine nahezu unendliche Impedanz und während des Betriebs einen Widerstand/eine Impedanz von nahezu null. Abhängig vom internen Aufbau der Steuerschaltung können SSRs entweder AC, DC oder beide Arten steuern. Möglich wird dies durch die Vielfalt an Halbleitern, die als Leistungselektronik zur Verfügung stehen. Halbleiterrelais können mit SCRs, TRIACs oder sogar Transistoren/MOSFETs entworfen werden.

Eines der wichtigsten Dinge, die ein SSR von seinem elektromechanischen Gegenstück unterscheiden, ist die Betriebsdauer. Elektromechanische Relais haben eine sehr begrenzte Kontaktlebensdauer, da sie die Kontakte physisch ein-/ausschalten. Dadurch entstehen zwischen den sich öffnenden Kontakten Lichtbögen, die die Kontaktfläche beeinträchtigen. Die Heavy-Duty-Relais sind zwar darauf ausgelegt, dem entgegenzuwirken, sind aber nicht dauerhaft immun gegen Verschleiß.

SSRs hingegen sind vollständig Festkörper und haben keine beweglichen Teile. Dadurch überstehen sie tausende von Schaltzyklen unter Nennlast, ohne sich um die Betriebsstabilität sorgen zu müssen. Dies verbessert auch die Schaltgeschwindigkeit des SSR. 

Halbleiterrelaisschaltung

Halbleiterrelais sind aus Sicht der Benutzerfreundlichkeit einfache Geräte. Sie haben einen Steuersignaleingang und einen geschalteten Ausgang, der elektrische Hochleistungslasten steuert. Ihr interner Aufbau ist viel komplizierter als das, was auf den ersten Blick erscheint. Lassen Sie uns die SSR-Schaltung und ihre Funktionsweise besprechen.

Wie bereits erwähnt, bieten Halbleiterrelais eine galvanische Trennung zwischen der Steuersignalseite und der Lastseite. Ähnlich wie bei elektromechanischen Relais, bei denen die Isolierung durch physisch getrennte Kontakte erfolgt, erreichen SSRs dies durch optische Isolierung des Eingangssignals.

Dies geschieht mit einem speziellen Halbleiterbauelement namens „Optokoppler“ (auch bekannt als „Optoisolator“). Optokoppler enthalten eine oder mehrere Infrarot-emittierende Dioden oder LEDs zusammen mit einer lichtempfindlichen Vorrichtung, um eine optische Signalisolierung bereitzustellen. 

Wenn das Steuersignal bereitgestellt wird (sehr niedrige Gleichspannung im Bereich von 2-3 V), schaltet es die im SSR eingebaute IR-LED ein. Der emittierte Strahl wird von der lichtempfindlichen Vorrichtung empfangen, um den Ausgang zu aktivieren. Die lichtempfindliche Vorrichtung wird weiter vom Emitter entfernt platziert, um die elektrische Isolierung bereitzustellen. Mit dieser Implementierung kann ein SSR problemlos eine 220-V-AC-Last mit einem Steuersignal von nur 5 V DC schalten.

Das Steuersignal kann auf mehreren Wegen entstehen. Es kann entweder

• Festkörper-DC-Signal
  • Festkörper-DC-Signale können von einfachen Schaltern oder direkten Stromquellen wie Batteriezellen stammen.
• Digitales Ausgangssignal
  • Steuerungen wie Mikrocontroller oder Mikroprozessoren, SPS können auch Signale erzeugen, die in SSRs zum Steuern von Lasten eingespeist werden können.
• Logische Gate-Signale
  • Für Anwendungen, die nicht die Verarbeitungsleistung eines Mikrocontrollers benötigen, kann der Ausgang einer kombinatorischen Logikgatterschaltung mit einem SSR verbunden werden, um eine Last gemäß einem Satz bedingter Eingänge ein-/auszuschalten.

Arten von SSRs

Es gibt viele Arten von Halbleiterrelais. Sie unterscheiden sich durch die Funktionalität. Das Funktionsprinzip ist sehr ähnlich, obwohl sie in unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden.

Sofort schaltendes SSR

Sofort schaltende Solid-State-Relais schalten den Ausgang sofort ein, wenn eine Steuerspannung angelegt wird. Diese SSRs haben eine atypische Reaktionszeit von weniger als 1 Millisekunde, was sie zu einer idealen Komponente für Anwendungen macht, die eine schnelle Reaktion und/oder Phasenwinkelsteuerung erfordern. Diese finden auch Anwendung beim Schalten induktiver Lasten.

SSRs mit sofortiger Umschaltung bestehen normalerweise aus Triacs, um die Steuerung von AC-Signalen unabhängig vom Phasenwinkel im Moment des Umschaltens zu ermöglichen. Dies funktioniert genauso wie ein normaler Schalter, bei dem der Einschaltpunkt zufällig ist.

Nullschaltendes SSR

Nullschaltende, auch als Nulldurchgangs-SSRs bezeichnet, schalten am ersten Nulldurchgangspunkt der Netzspannung ein, unabhängig von der Zeit, zu der das Steuersignal angelegt wird. Bei einer sinusförmigen 50-Hz-Netzspannung kann die Reaktionszeit zwischen nahe Null und 10 ms (weniger als die halbe Periode) liegen.

Diese SSRs haben eine spezielle eingebaute Schaltung, die als „Nulldurchgangsdetektor“ bezeichnet wird. Wenn das Steuersignal angelegt wird, erzeugt diese Schaltung einen Impuls, sobald die sinusförmige Wechselstromwellenform den 0-V-Punkt erreicht. Dadurch wird der Triac eingeschaltet, der die Last steuert, und der Triac bleibt leitend, bis die Netzspannung wieder Null erreicht. Der Zyklus wiederholt sich solange die Steuerspannung anliegt.

Nulldurchgangs-SSRs finden ihre Anwendungen in resistiven, kapazitiven und induktiven Laststeuerungssystemen. Die Aktivierung am Nulldurchgangspunkt stellt sicher, dass während des Anlaufs ein minimaler Stoßstrom in die Last fließt. 

Spitzenschalt-SSR

Ergänzend zum Nulldurchgangstyp aktivieren Peak-Switching-SSRs den Ausgang bei der ersten Spitze der Netzspannung beim Anlegen der Steuerspannung. Nach diesem Halbzyklus funktioniert das SSR weiterhin wie ein Nulldurchgangs-SSR. 

Bei SSRs mit Peak-Schaltung ist ein Nulldurchgangsdetektor mit einer anfänglichen Peak-Detektorstufe gekoppelt, um den ersten Einschaltimpuls zu erzeugen. Das Halbleiterrelais schaltet sich nicht ein, bis die Netzspannung ihre Spitzenspannung erreicht. Sobald die Spitze erkannt wird, wird die Last über den Triac mit Strom versorgt. Beim Schalten an einer Spitze der Versorgungsspannung ziehen induktive Lasten den geringsten Einschaltstrom. Die Verwendung von Spitzenschalt-SSRs ist in solchen Anwendungen vorteilhaft, um sicherzustellen, dass die Last vor Einschaltströmen geschützt ist.

Spitzenschaltende SSRs werden mit stark induktiven Lasten wie Transformatoren und Hochleistungsmotoren verwendet. 

Analog schaltendes SSR

Analog schaltende SSRs sind eine spezielle Art von SSRs. Sie arbeiten mit einem 4-20mA Gleichstromsignal. Die Phase des Ausgangs wird proportional vom Eingangssignal beeinflusst. Wenn das Steuerspannungs-/Stromsignal entfernt wird, schaltet sich das SSR aus. Analoge Halbleiterrelais verfügen über eine integrierte Schaltung, die als geschlossenes Rückkopplungssystem fungiert, um die Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung zu steuern.

DC-schaltendes SSR

Für ohmsche und induktive Lasten werden häufig DC-Schalt-SSRs verwendet. DC-SSRs steuern die Last mit MOSFETs von BJTs, daher werden sie am besten mit DC-Lasten wie DC-Heizelementen, Magnetventilen und DC-Bürstenmotoren verwendet. Da diese keinen eingebauten induktiven Rückschlagschutz haben, muss eine externe Freilaufdiode in Sperrrichtung an die Ausgangsklemmen angeschlossen werden.

Kontrollmethoden

Verschiedene Arten von SSRs haben unterschiedliche Antriebsmethoden. Wie oben erwähnt, benötigen SSRs nur ein kleines Steuersignal, um eine Last mit höherer Spannung und höherem Strom zu schalten. Hier sind einige der Methoden, die verwendet werden, um den Eingang eines SSR zu steuern.

Direktes DC-Schalten

Die einfachste Methode zum Ansteuern eines SSR besteht darin, die Steuerspannung direkt an das SSR anzulegen. Wenn beispielsweise die Steuerspannung eines SSR 12 V DC beträgt, schaltet das direkte Anlegen des Spannungssignals an die Steuereingänge das SSR ein. Diese Art der einfachen Implementierung findet man in direkt angeschlossenen Motorsteuerschaltungen.

Transistorsteuerung

In einigen Fällen ist die Steuersignalspannung möglicherweise nicht hoch genug, um die Eingänge des Halbleiterrelais direkt anzusteuern. Beispielsweise kann ein Mikrocontroller, der mit 5 V oder 3.3 V betrieben wird, möglicherweise nicht genügend Spannung und Strom liefern, um die internen Schaltkreise des Halbleiterrelais anzusteuern. In solchen Fällen müssen die Logikspannungen in ein Steuersignal für den Eingang des Halbleiterrelais umgewandelt werden. Durch die Implementierung einer Schaltung ähnlich dem obigen Bild kann ein kleines Eingangssignal das SSR leicht steuern. Die oben gezeigte NPN-Transistorschaltung kann das SSR einschalten, wenn eine positive Spannung an den Basisanschluss angelegt wird.

Kombinationslogik-Steuerung

In Anwendungen, in denen eine bedingte Logik erforderlich ist, das System jedoch zu einfach ist, um von einem auf Mikrocontrollern basierenden Steuersystem wie einer SPS gesteuert zu werden, können Logikgatter verwendet werden. Mit einer Schaltung ähnlich der unten gezeigten kann der invertierte Ausgang einer positiven kombinatorischen Logikschaltung direkt ein SSR ansteuern, um eine elektrische Last zu steuern.

AC-Steuersignal

Einige Systeme verwenden sowohl in der Steuer- als auch in der Leistungselektronik nur Wechselstrom. Die Integration eines SSR in ein solches System kann eine Herausforderung darstellen, da SSRs meistens mit DC-Signalen angesteuert werden. Mit dem Prinzip der Vollbrückengleichrichtung kann jedoch ein Wechselspannungssignal mit einem kompatiblen Spannungspegel in ein gleichgerichtetes Gleichspannungssignal umgewandelt werden, um die Eingänge des SSR zu treiben. Die folgende Abbildung zeigt eine solche Implementierung.

Die meisten SSR-Hersteller bieten jedoch in ihren SSR-Serien Halbleiterrelais mit AC-Eingang an, um diesen zusätzlichen Overhead zu überwinden.

Vorteile von Halbleiterrelais

SSRs haben viele Vorteile, einschließlich

• Lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit
• Schnelle Reaktionszeiten
• Niedrige EMI
• Kein Kontaktlichtbogen, da keine mechanischen Komponenten vorhanden sind
• Hohe Vibrations-, Schock- und Staubbeständigkeit
• Leiser Betrieb
• Logikkompatibilität

SSRs haben jedoch auch einige Nachteile:

• Kontaktspannungsabfall
  • Da SSRs unter Verwendung von Halbleiterbauelementen hergestellt werden, stellen sie einen inhärenten Serienwiderstand dar, selbst wenn sie vollständig eingeschaltet sind. Beispielsweise können Thyristoren einen Spannungsabfall von 1–1.6 V an den Anschlüssen haben. Dabei entsteht Wärme, die eine passive oder aktive Kühlung erfordert.
• Transiente Spannungsprobleme und dV/dt-Beschränkungen
  • Bei nicht ordnungsgemäßer Implementierung bergen SSRs aufgrund der in den Halbleiterstufen vorhandenen Eigenkapazität das Risiko eines zufälligen Einschaltens, das durch eine regenerative Aktion verursacht wird.

So wählen Sie das richtige Halbleiterrelais aus

Beachten Sie bei der Auswahl eines SSR für eine bestimmte Anwendung die folgenden wichtigen Punkte:

Allgemeine Hinweise

Wählen Sie ein Halbleiterrelais, das den Nennlaststrom, die Nennspannung und die Betriebstemperatur bewältigen kann. Das SSR sollte im Allgemeinen eine höhere Bewertung haben als die beabsichtigte Anwendung.

Schutzfunktionen

Das SSR sollte über einen angemessenen Schutz vor thermischer Überlastung, Überstrom und transienter Spannung verfügen. In vielen Fällen sollten solche Schaltungen extern angeschlossen werden.

Stellen Sie außerdem sicher, dass das SSR den Isolationsstandards für die Anwendung entspricht. Zum Beispiel haben SSRs der höheren Preisklasse einen Isolationswiderstand von Eingang zu Ausgang von >= 4000 Vrms AC und einen Isolationswiderstand von Ausgang zu Gehäuse von >= 2500 Vrms AC

Einhaltung von Industriestandards

Die Auswahl eines SSR, das gemäß IEC-, UL- und ähnlichen Industriestandards hergestellt wurde, stellt die Integrität und Zuverlässigkeit des Systems sicher.

Zusammenfassung

Halbleiterrelais sind hervorragende Schaltgeräte, die in vielen Fällen herkömmliche elektromechanische Relais ersetzen können. Die anfänglichen Kosten für die Implementierung eines SSR-basierten Systems sind relativ hoch, die Vorteile überwiegen leicht die Nachteile und rechtfertigen die Kosten.