Halbleiterrelais selbst gebaut: Bauanleitung und Anschlusstipps

Ein Solid-State-Relais (SSR) ist ein Gerät aus der Reihe elektronischer Komponenten ohne mechanische Wirkung. Das Fehlen von Mechanik eröffnet Elektronikbastlern mehr Möglichkeiten, ein Solid-State-Relais für den persönlichen Gebrauch selbst zu bauen.

Betrachten wir diese Möglichkeit genauer.

Aufbau und Funktionsprinzip des Solid-State-Relais

Während der Großteil dieser Art von Elektronik traditionell bewegliche Teile von Kontaktgruppen enthält, hat ein Solid-State-Relais solche Teile überhaupt nicht. Die Schaltung des Stromkreises durch die Geräteschaltung erfolgt nach dem Prinzip eines elektronischen Schalters. Und die Rolle der elektronischen Schalter übernehmen normalerweise die im Relaiskörper eingebauten Halbleiter – Leistungstransistoren, Triacs, Thyristoren.

Bevor Sie versuchen, ein Solid-State-Relais selbst herzustellen, ist es sinnvoll, sich mit der grundlegenden Konstruktion solcher Geräte vertraut zu machen und das Funktionsprinzip zu verstehen.

In der industriellen Fertigung werden Solid-State-Relais verschiedener Konfigurationen hergestellt, die für die unterschiedlichsten praktischen Einsatzbedingungen ausgelegt sind. Die Auswahl an Modifikationen ist umfangreich.

Im Rahmen einer eingehenden Untersuchung des Geräts sollten sofort die Vorteile des SSR hervorgehoben werden:

• Schalten starker Lasten;
• Hohe Schaltgeschwindigkeit;
• Ideale galvanische Trennung;
• Fähigkeit, kurzzeitig hohe Überlasten zu tragen.

Unter mechanischen Konstruktionen ist es praktisch unmöglich, ein Relais mit ähnlichen Parametern zu finden. Überhaupt wird der Vorteil von Solid-State-Relais gegenüber ihren mechanischen Pendants durch eine beeindruckende Liste ausgedrückt.

Zwei elektronische Geräte, die funktional die Schaltung von Stromkreisen gewährleisten: Links eines auf Basis einer Festkörperkonstruktion, rechts – ein traditionelles mechanisches Schaltsystem.

Die Betriebsbedingungen für SSR schränken die Anwendung dieser Geräte praktisch nicht ein. Zudem wirkt sich das Fehlen beweglicher mechanischer Teile positiv auf die Lebensdauer der Geräte aus. Es gibt also allen Grund, sich mit dem Solid-State-Relais zu befassen – das Gerät selbst zusammenzubauen.

Der Gerechtigkeit halber sind jedoch neben den positiven Aspekten auch die Eigenschaften des Relais zu erwähnen, die als Nachteile charakterisiert werden. So erfordert der Betrieb leistungsstarker Geräte in der Regel eine zusätzliche Komponente, die zur Wärmeableitung dient.

Für den Fall der Schaltung einer hohen Last werden Halbleiterrelais praktisch immer mit leistungsstarken Kühlkörpern ergänzt. Dies erschwert den Einsatz von SSRs etwas.

Die Kühlkörper von Halbleiterrelais haben Abmessungen, die die Abmessungen der SSRs um ein Vielfaches übertreffen, was den Komfort und die Rationalität der Montage verringert.

SSR-Geräte erzeugen während des Betriebs (im geschlossenen Zustand) einen Rückwärtsleckstrom und zeigen eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie. Nicht alle Halbleiterrelais dürfen ohne Einschränkungen hinsichtlich der Eigenschaften der geschalteten Spannungen verwendet werden.

Konstruktion für den Einsatz nur in Schaltungen, die mit Gleichstrom versorgt werden. Diese Geräte zeichnen sich in der Regel durch kleine Abmessungen und eine geringe Schaltleistung aus.

Einige Gerätetypen sind dafür ausgelegt, nur Gleichstrom zu schalten. Die Integration von Halbleiterrelais in eine Schaltung erfordert in der Regel zusätzliche Maßnahmen zur Vermeidung von Fehlauslösungen.

Festkörperrelais finden Sie oft im allgemeinen Elektroverteiler der Wohnung.

Wie funktioniert ein Solid-State-Relais?

Das Steuersignal (normalerweise eine Niederspannung, die beispielsweise von einem Steuerungscontroller kommt) wird an die LED einer im SSR-Schaltkreis vorhandenen optoelektronischen Kopplung angelegt. Die LED beginnt, Licht in Richtung der Fotodiode auszusenden, die daraufhin leitend wird und Strom durchlässt.

Verallgemeinerter Schaltplan eines SSR, der deutlich zeigt, wie das elektronische Gerät funktioniert: 1 – Steuerspannungsquelle; 2 – Optokoppler im Relaisgehäuse; 3 – Laststromquelle; 4 – Last

Der durch die Fotodiode fließende Strom gelangt zur Steuerelektrode des Schalttransistors oder Thyristors. Der Schalter wird leitend und schließt den Lastkreis.

So arbeitet die Schaltfunktion des Geräts. Die gesamte Elektronik ist traditionell in einem monolithischen Gehäuse untergebracht. Genau deshalb wird das Gerät auch Halbleiterrelais genannt.

Und wie Sie ein Festkörperrelais anschließen, erfahren Sie in diesem Material.

Varianten von Solid-State-Schaltern

Das gesamte vorhandene Sortiment an Geräten lässt sich bedingt in Gruppen einteilen, basierend auf der Kategorie der angeschlossenen Last, den Steuerungsbesonderheiten und der Spannungskommutierung.

Insgesamt ergeben sich somit drei Gruppen:

1. Geräte, die in Gleichstromkreisen arbeiten.
2. Geräte, die in Wechselstromkreisen arbeiten.
3. Universelle Konstruktionen.

Die erste Gruppe besteht aus Geräten mit Arbeitssteuerspannungsparametern von 3 – 32 Volt. Es handelt sich um relativ kleine Elektronik mit LED-Anzeige, die bei Temperaturen von -35 / +75 °C störungsfrei funktionieren kann.

Eine weit verbreitete Ausführung eines elektronischen Geräts für den Einsatz in einphasigen Stromnetzen. Es gibt auch andere Bauvarianten, die jedoch wesentlich seltener vorkommen.

Die zweite Gruppe umfasst Geräte, die für den Einsatz in Wechselspannungsnetzen vorgesehen sind. Hier werden SSR-Konstruktionen für Wechselstromnetze vorgestellt, die mit einer Spannung von 24 – 250 Volt gesteuert werden. Es gibt Geräte, die hohe Lasten schalten können.

Die dritte Gruppe sind Geräte mit universellem Zweck.

Wenn man von der Art der angeschlossenen Last ausgeht, sind zwei Arten von Wechselstrom-Halbleiterrelais zu unterscheiden: einphasige und dreiphasige. Beide Arten sind für das Schalten relativ hoher Lasten bei Strömen von 10 – 75 A ausgelegt. Dabei können kurzzeitige Spitzenstromwerte bis zu 500 A erreichen.

Eine weit verbreitete Ausführungsvariante für den Einsatz in dreiphasigen Stromnetzen. Wird häufig als linearer Regler für leistungsstarke elektrische Heizungen (Heizstäbe) verwendet.

Als Last, die von Halbleiterrelais geschaltet wird, können kapazitive, resistive und induktive Schaltungen dienen. Die Schalterkonstruktionen ermöglichen eine geräuschlose, sanfte Steuerung, zum Beispiel von Heizelementen, Glühlampen und Elektromotoren.

Die Betriebszuverlässigkeit ist recht hoch. Allerdings hängt die Stabilität und Langlebigkeit von Halbleiterrelais weitgehend von der Fertigungsqualität ab. So werden Geräte, die unter der Marke „Impuls“ hergestellt werden, oft mit einer kurzen Lebensdauer beobachtet.

Andererseits geben die Produkte von „Schneider Electric“ keinen Anlass zur Kritik.

Wie bauen Sie ein Solid-State-Relais selbst?

Angesichts der konstruktiven Besonderheit des Geräts (monolithisch) wird die Schaltung nicht wie üblich auf einer Leiterplatte, sondern in Freiverdrahtungstechnik aufgebaut.

So sieht ein selbstgebautes Halbleiterrelais aus. Etwas Ähnliches zu bauen ist nicht schwer. Man benötigt lediglich grundlegende Kenntnisse in Elektronik und Elektrik. Die Materialkosten sind gering.

Es gibt zahlreiche Schaltungslösungen in diesem Bereich. Die konkrete Variante hängt von der erforderlichen Schaltleistung und anderen Parametern ab.

Elektronische Bauteile für den Schaltungsaufbau

Die Liste der Bauteile einer einfachen Schaltung zum praktischen Erlernen und Bau eines Halbleiterrelais lautet wie folgt:

1. Optokoppler Typ MOC3083.
2. Triac Typ BT139-800.
3. Transistor der Serie KT209.
4. Widerstände, Zenerdiode, Leuchtdiode.

Alle angegebenen elektronischen Bauteile werden gemäß folgender Schaltung in Freiverdrahtung verlötet:

Schaltplan eines leistungsarmen Festkörperrelais zum Selberbauen. Eine geringe Anzahl von Bauteilen und eine einfache Freiverdrahtung ermöglichen ein müheloses Löten der Schaltung.

Dank der Verwendung des Optokopplers MOC3083 in der Steuersignalgeneratorschaltung kann die Eingangsspannung zwischen 5 und 24 Volt variieren.

Durch die Kette aus Zenerdiode und Vorwiderstand wird der Strom durch die Kontroll-LED auf das minimal mögliche Maß reduziert. Diese Lösung gewährleistet eine lange Lebensdauer der Kontroll-LED.

Überprüfung der zusammengebauten Schaltung auf Funktionsfähigkeit

Die zusammengebaute Schaltung muss auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft werden. Es ist nicht notwendig, die Lastspannung von 220 Volt über den Triac an den Schaltkreis anzuschließen. Es reicht aus, parallel zur Triac-Schaltleitung ein Messgerät – einen Tester – anzuschließen.

Funktionsprüfung des Festkörperrelais mit einem Messgerät. Wenn am Eingang des Geräts eine Steuerspannung anliegt, sollte der Triac-Übergang leitend sein.

Der Messmodus des Testers muss auf „MΩ“ eingestellt werden und die Spannungsversorgung (5-24 V) an die Steuerspannungsgeneratorschaltung angelegt werden. Wenn alles korrekt funktioniert, sollte der Tester einen Widerstandsunterschied von „MΩ“ auf „kΩ“ anzeigen.

Aufbau des monolithischen Gehäuses

Für die Basis des Gehäuses des zukünftigen Festkörperrelais wird eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 3-5 mm benötigt. Die Abmessungen der Platte sind nicht kritisch, müssen aber den Bedingungen einer effektiven Wärmeableitung vom Triac bei Erwärmung dieses elektronischen Bauteils entsprechen.

Rahmen zum Vergießen des Gehäuses des zukünftigen Geräts. Wird aus einem Kartonstreifen oder anderen geeigneten Materialien hergestellt. Auf der Aluminiumunterlage wird er mit Alleskleber befestigt.

Die Oberfläche der Aluminiumplatte muss eben sein. Zusätzlich müssen beide Seiten bearbeitet werden – mit feinem Schleifpapier reinigen und polieren.

Im nächsten Schritt wird die vorbereitete Platte mit einer „Schalung“ versehen – entlang des Umfangs wird ein Rand aus dickem Karton oder Kunststoff geklebt. Es sollte eine Art Kasten entstehen, der später mit Epoxidharz ausgegossen wird.

In den erstellten Kasten wird die in Freiverdrahtung aufgebaute elektronische Schaltung des Festkörperrelais gelegt. Auf die Oberfläche der Aluminiumplatte wird nur der Triac gelegt.

Befestigung des Triacs auf der Aluminiumunterlage. Die Hauptbedingung ist, dass dieses elektronische Bauteil fest gegen die Metallbasis gedrückt werden muss. Nur so werden eine gute Wärmeableitung und Betriebssicherheit gewährleistet.

Keine anderen Bauteile und Leiterbahnen dürfen die Aluminiumsubstrat berühren. Der Triac wird mit dem Teil des Gehäuses auf das Aluminium aufgesetzt, der für die Montage auf einem Kühlkörper vorgesehen ist.

Es sollte Wärmeleitpaste auf der Kontaktfläche zwischen dem Triac-Gehäuse und dem Aluminiumsubstrat verwendet werden. Einige Triac-Typen mit nicht isolierter Anode müssen unbedingt über eine Glimmerunterlage montiert werden.

Variante der Triac-Befestigung an der Substrat mittels Niete. Auf der Rückseite wird die Niete bündig mit der Substratoberfläche flachgedrückt.

Der Triac muss mit einem Gewicht fest an die Basis gedrückt und am Umfang mit Epoxidkleber vergossen oder auf andere Weise befestigt werden, ohne die Glätte der Rückseite des Substrats zu beeinträchtigen (z. B. mit einer Niete).

Herstellung der Vergussmasse und Vergießen des Gehäuses

Für die Herstellung des Festkörpers der elektronischen Vorrichtung ist eine Vergussmischung erforderlich. Die Zusammensetzung der Vergussmischung basiert auf zwei Komponenten:

1. Epoxidharz ohne Härter.
2. Alabasterpulver.

Durch die Zugabe von Alabaster löst der Anwender gleich zwei Aufgaben: Er erhält ein ausreichendes Volumen an Vergussmasse bei nominalem Epoxidharzverbrauch und erzeugt eine Vergussmasse mit optimaler Konsistenz.

Die Mischung muss gründlich gemischt werden, dann kann der Härter hinzugefügt und erneut gründlich gemischt werden. Anschließend wird die freie Verdrahtung im Karton vorsichtig mit der hergestellten Vergussmasse vergossen.

So sieht ein fertiges Exemplar eines selbstgebauten Solid-State-Relais aus. Etwas ungewöhnlich und nicht sehr repräsentativ, aber ausreichend zuverlässig.

Das Vergießen erfolgt bis zum oberen Rand, wobei nur ein Teil der Kappe der Kontroll-LED an der Oberfläche verbleibt. Anfangs mag die Oberfläche der Vergussmasse nicht ganz glatt erscheinen, aber nach einiger Zeit wird sich das Bild ändern. Es bleibt nur, auf das vollständige Aushärten des Gusses zu warten.

Im Grunde können alle für den Guss geeigneten Lösungen verwendet werden. Das Hauptkriterium ist, dass die Vergussmasse nicht elektrisch leitfähig sein darf und nach dem Aushärten einen ausreichenden Härtegrad aufweisen muss. Das gegossene Gehäuse des Solid-State-Relais dient als eine Art Schutz der elektronischen Schaltung vor versehentlichen mechanischen Beschädigungen.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Dieses Video zeigt, wie und auf Basis welcher elektronischen Komponenten ein Solid-State-Relais gebaut werden kann. Der Autor erklärt verständlich alle Details der Fertigungspraxis, mit denen er persönlich bei der Herstellung des elektronischen Schalters konfrontiert wurde:

Ein Video über das Problem, das nach dem Kauf eines einphasigen SSR bei Händlern aus China auftreten kann. Gleichzeitig wird eine Art Überblick über das Gerät des Schalters gegeben:

Die eigenständige Herstellung von Solid-State-Relais – eine durchaus mögliche Lösung, jedoch bezogen auf Geräte für Niederspannungslasten, die eine relativ geringe Leistung verbrauchen.

Leistungsstärkere und höhervoltage Geräte selbst zu bauen ist schwierig. Zudem würde dieses Vorhaben finanziell genauso viel kosten wie ein werksseitig hergestelltes Exemplar. Daher ist es bei Bedarf einfacher, ein fertiges industriell gefertigtes Gerät zu kaufen.

Falls Sie Fragen zum Aufbau eines Solid-State-Relais haben, stellen Sie diese bitte im Kommentarbereich, und wir werden versuchen, Ihnen eine äußerst verständliche Antwort zu geben. Dort können Sie auch Ihre Erfahrungen mit dem Selbstbau eines Relais teilen oder wertvolle Informationen zum Thema des Artikels mitteilen.