Steckbares Halbleiter-Relais auf Tragschiene


In der Regelungs- und Steuerungstechnik werden sowohl elektromechanische Relais (EMRs) als auch Halbleiter-Relais (SSRs) eingesetzt. Für den Anwender stellt sich die Frage, welches Bauelement für seine Applikation die beste Lösung ist.

Grundaufbau im Vergleich:
Schon die Bezeichnungen Halbleiterrelais und elektromechanische Relais machen deutlich, dass der Aufbau auf unterschiedlichen Technologien basiert. Bei beiden Relais-Bauarten spricht man von einem Eingangs- und einem Ausgangskreis. Das bedeutet, dass im Gegensatz zu einem reinen Halbleiter zwischen der Ansteuerung und dem Ausgang eine galvanische Trennung besteht.
Die drei wesentlichen Merkmale des EMR, Eingangsspule – galvanische Trennung – Ausgangskontakt, sind bei einem SSR Halbleitereingangskreis – Optokoppler – Halbleiterausgang. Bei einem EMR muss bei dem Eingang zwischen AC und DC unterschieden werden und die Relais-Spulenspannung ist entsprechend der Steuerspannung zu wählen.
Die SSR-Relais sind üblicherweise für eine DC-Ansteuerung ausgelegt, die über den Eingang der Steckfassung für AC und DC und die jeweilige Steuerspannung angepasst werden.

Bei den EMR sind Eingangs- und Ausgangskreis galvanisch getrennt, wobei entsprechend der anwenderspezifischen Vorschrift zwischen Funktions-, Basis-, Verstärkte- oder Doppelte- Isolierung zu unterscheiden ist, die jeweils in der Norm EN 61810-1 spezifiziert ist. Überspannungskategorie, Verschmutzungsgrad, Luft- und Kriechstrecken sind je nach der geplanten Anwendung bei der Relais-Auswahl zu berücksichtigen. Bei den SSRs ist die Trennung zwischen Ein- und Ausgang z. B. durch den Isolationswiderstand und der Spannungsfestigkeit, also der Spannungsfestigkeit des verwendeten Optokopplers, gegeben.
Über die Ausgangskontakte von EMRRelais kann man sowohl Gleich- als auch Wechselstrom schalten. Der zulässige Strombereich erstreckt sich je nach Relais-Typ vom 100 µA-Bereich bis in den 10 A-Bereich und der Spannungsbereich vom mV-Bereich bis zu einigen 100 Volt.
Bei den SSR-Relais ist die zulässige Ausgangsschaltspannung in hohem Maße von dem verwendeten Ausgangshalbleiter abhängig und erstreckt sich von einigen Volt je nach Typ bis auf die üblichen Betriebsspannungen. Der Strombereich ist ebenfalls abhängig vom Ausgangshalbleiter vom 100 µA-Bereich bis in den 10 A-Bereich. Zu beachten ist, dass bei der Auswahl der SSR-Relais die zu schaltende Last bekannt sein muss, aber im Gegensatz zu EMR-Relais kein Verschleiß durch Kontaktabbrand auftritt.



Aufgrund der obigen Gegenüberstellung der EMR-Relais zu den SSR-Relais ergeben sich für die jeweilige Relais- Technologie Anwendervorteile.

Zur Verdeutlichung ein Beispiel:
Entnimmt man dem Datenblatt eines EMR-Relais für eine bestimmte Last eine Lebensdauererwartung von 500.000 Schaltspielen, dann wäre ein EMR-Relais bei einer Schalthäufigkeit von 3.000 Schaltungen pro Tag nach knapp einem halben Jahr bzw. 500 Schaltungen pro Tag nach ca. 3 Jahren im Rahmen einer Wartung prophylaktisch auszutauschen. Diese bei EMR-Relais durch Verschleiß sich ergebende Begrenzung der Schaltspiele wird bei DC-Lasten durch einen weiteren Effekt, die Kontaktmaterial- Wanderung, beeinflusst, wie er beim Schalten von Gleichstrommagnetsystemen (Magnetventilen, Kupplungen und Schaltgeräten) gegeben ist. Durch die Kontaktmaterial-Wanderung – Bildung von Spitzen und Kratern auf den Kontaktoberflächen – ergeben sich meistens deutlich geringere Lebensdauererwartungen als bei AC-Lasten gleicher Leistung.
Diese Tatsache stellt eine unbefriedigende Lösung für den Anwender dar. Anders bei Halbleiter-Relais, dort wird die Lebensdauer nicht von der Anzahl der Schaltspiele bestimmt. Solange ein Halbleiter-Relais innerhalb seiner Spezifikation betrieben wird, d.h. keiner thermischen Überbeanspruchung, einem überhöhten Ausgangsstrom oder Spannungsspitzen oberhalb der spezifizierten Werte ausgesetzt ist, kann man eine wesentlich längere Lebensdauer als bei einem elektromechanischen Relais erwarten.

Die auf den Tragschienen (DIN EN 60715 TH 35) aufschnappbaren Basiselemente (Fassungen) sind in gleicher Weise zum Aufstecken von EMR- und SSR-Relais geeignet.
Damit ist meist auch nach der Inbetriebnahme oder einer Praxis-Zeit ohne Designänderung ein Austausch hin zum “optimalen Relais (EMR oder SSR)“ möglich. Die auf den Fassungen mit Schraub- oder Zugfederklemme einsetzbaren EMR-Relais sind bis 16 A und die SSR-Relais bis 5 A verfügbar.


Halbleiter-Relais sollten immer dann eingesetzt werden, wenn folgende Eigenschaften des Bauelementes gefragt sind:
  • hohe Schaltfrequenzen
  • kein Kontaktprellen
  • kein Kontaktabbrand
  • unbegrenzte Schaltlebensdauer


Vorteile von elektromechanischen Relais:

  • Wechsel- und Gleichstrombetrieb im Laststromkreis möglich
  • kein Leckstrom im Laststromkreis – ein Halbleiter bewirkt keine 100%-ige galvanische Trennung
  • unempfindlich gegenüber kurzzeitige Spannungsspitzen



Fazit:
Keine Relais-Type “passt“ für alle Anwendungen, aber durch die beschriebenen unterschiedlichen Relais-Technologien lässt sich für jede Applikation die optimale Lösung finden!

Die Koppel-Relais-Serie 38 von Finder bietet dem Anwender eine hohe Flexibilität, da jede der beiden Fassungs-Varianten (Schraubklemme oder Zugfederklemme) mit elektromechanischen Relais oder Halbleiter-Relais bestückt geliefert werden kann.



Dipl. Ing. Andreas Heck, Finder GmbH


©2010 Forum Innovation der
Deutschen Schaltrelais-Hersteller im ZVEI
Update 01/11/2010