Halbleiterrelais: Arten, praktische Anwendung, Anschlusspläne

Klassische Schütze und Schalter gehören allmählich der Vergangenheit an. Ihre Stelle in der Automobilelektronik, Haushaltsgeräten und Industrieautomation nimmt das Solid-State-Relais – ein Halbleiterbauelement, das keinerlei bewegliche Teile besitzt.

Die Geräte haben verschiedene Bauformen und Anschlusspläne, von denen ihre Anwendungsbereiche abhängen. Bevor man das Gerät verwendet, muss man sein Funktionsprinzip verstehen und die Besonderheiten der Funktionsweise und des Anschlusses verschiedener Relaisarten kennen. Die Antworten auf diese Fragen sind in dem vorliegenden Artikel ausführlich dargelegt.

Aufbau des Solid-State-Relais

Moderne Solid-State-Relais (SSR) sind modulare Halbleiterbauelemente, die als Leistungsschalter fungieren.

Die wesentlichen Arbeitskomponenten dieser Geräte sind Triacs, Thyristoren oder Transistoren. SSR haben keine beweglichen Teile, wodurch sie sich von elektromechanischen Relais unterscheiden.

Die Größe eines Solid-State-Relais hängt weitgehend von der maximal zulässigen Last und der Möglichkeit ab, Wärme durch Wärmeübertragung und Konvektion abzuleiten (+)

Die interne Bauweise dieser Geräte kann je nach Art der geregelten Last und des elektrischen Schaltplans stark variieren.

Einfachste Solid-State-Relais umfassen folgende Komponenten:

• Eingangsstufe mit Sicherungen;
• Triggerschaltung;
• optische (galvanische) Trennung;
• Schaltstufe;
• Schutzschaltungen;
• Ausgangsstufe zur Last.

Die Eingangsstufe des SSR ist eine Primärschaltung mit einem in Reihe geschalteten Widerstand. Eine Sicherung wird optional in diese Schaltung eingebaut. Die Aufgabe der Eingangsstufe ist die Annahme des Steuersignals und die Weiterleitung des Befehls an die die Last schaltenden Schalter.

Bei Wechselstrom wird zur Trennung von Steuer- und Hauptschaltung eine galvanische Trennung verwendet. Von ihrer Bauweise hängt das Funktionsprinzip des Relais weitgehend ab. Die für die Verarbeitung des Eingangssignals zuständige Triggerschaltung kann in die optische Trennung integriert oder separat angeordnet sein.

Die Schutzeinheit verhindert das Auftreten von Überlastungen und Fehlern, da im Falle eines Geräteausfalls auch die angeschlossene Technik beschädigt werden kann.

Der Hauptzweck von Festkörperrelais besteht im Schließen/Öffnen des Stromkreises mittels eines schwachen Steuersignals. Im Gegensatz zu elektromechanischen Relais sind sie kompakter und erzeugen während des Betriebs keine charakteristischen Klickgeräusche.

Funktionsprinzip des SSR

Die Funktionsweise eines Festkörperrelais ist recht einfach. Die meisten Festkörperrelais sind für die Steuerung von Automatisierungssystemen in Netzen von 20-480 V ausgelegt.

Die optische Entkopplung ermöglicht die Erzeugung von Steuersignalen mit minimaler Leistung, was für Sensoren, die von autonomen Stromquellen gespeist werden, von entscheidender Bedeutung ist (+)

In der klassischen Ausführung umfasst das Gerätegehäuse zwei Kontakte des geschalteten Stromkreises und zwei Steuerleitungen. Deren Anzahl kann sich bei Erhöhung der Anzahl angeschlossener Phasen ändern. Je nach Vorhandensein einer Spannung im Steuerkreis erfolgt das Ein- oder Ausschalten der Hauptlast durch Halbleiterelemente.

Eine Besonderheit von Festkörperrelais ist das Vorhandensein eines nicht unendlichen Widerstands. Während die Kontakte bei elektromechanischen Geräten vollständig getrennt werden, wird bei Festkörperrelais das Fehlen von Strom im Stromkreis durch die Eigenschaften der Halbleitermaterialien gewährleistet.

Daher können bei erhöhten Spannungen kleine Leckströme auftreten, die sich negativ auf den Betrieb der angeschlossenen Geräte auswirken können.

Klassifikation von Solid-State-Relais

Die Anwendungsbereiche von Relais sind vielfältig, daher können ihre konstruktiven Merkmale je nach den Anforderungen der jeweiligen automatischen Schaltung stark variieren. Festkörperrelais werden nach der Anzahl der angeschlossenen Phasen, der Art des Arbeitsstroms, der Bauform und der Art der Steuerschaltung klassifiziert.

Nach Anzahl der angeschlossenen Phasen

Festkörperrelais werden sowohl in Haushaltsgeräten als auch in der industriellen Automatisierung mit einer Betriebsspannung von 380 V eingesetzt.

Daher werden diese Halbleiterbauelemente je nach Phasenanzahl unterteilt in:

• einphasige;
• dreiphasige.

Einphasige Festkörperrelais ermöglichen den Betrieb mit Strömen von 10-100 oder 100-500 A. Ihre Steuerung erfolgt über ein analoges Signal.

An ein dreiphasiges Relais sollten Drähte in verschiedenen Farben angeschlossen werden, damit sie bei der Montage der Geräte korrekt verbunden werden können

Dreiphasige Festkörperrelais können Ströme im Bereich von 10-120 A leiten. Ihre Konstruktion basiert auf einem reversiblen Funktionsprinzip, das eine zuverlässige Regelung mehrerer Stromkreise gleichzeitig gewährleistet.

Häufig werden Drehstrom-SSRs verwendet, um den Betrieb eines Asynchronmotors zu gewährleisten. In seinem Steuerstromkreis müssen aufgrund der hohen Anlaufströme unbedingt Schnellsicherungen eingebaut werden.

Nach Art des Betriebsstroms

Halbleiterrelais können nicht eingestellt oder umprogrammiert werden, daher können sie nur in einem bestimmten Bereich der elektrischen Netzkennwerte ordnungsgemäß arbeiten.

Je nach Bedarf können SSR-Schaltungen mit zwei Stromarten gesteuert werden:

• Gleichstrom;
• Wechselstrom.

Ebenso können SSRs nach der Art der Spannung der aktiven Last klassifiziert werden. Die meisten Relais in Haushaltsgeräten arbeiten mit Wechselparametern.

Gleichstrom wird in keinem Land der Welt als primäre Stromquelle verwendet, daher haben Relais dieses Typs einen engen Anwendungsbereich.

Geräte mit Gleichstromsteuerung zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit aus und verwenden zur Regelung eine Spannung von 3-32 V. Sie halten einen weiten Temperaturbereich (-30 bis +70 °C) ohne wesentliche Änderung der Eigenschaften aus.

Relais, die mit Wechselstrom gesteuert werden, haben eine Steuerspannung von 3-32 V oder 70-280 V. Sie zeichnen sich durch geringe elektromagnetische Störungen und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aus.

Nach konstruktiven Merkmalen

Halbleiterrelais werden häufig in den allgemeinen Stromverteiler einer Wohnung eingebaut, daher haben viele Modelle eine Montagebasis für die Befestigung auf der Hutschiene.

Darüber hinaus gibt es spezielle Kühlkörper, die zwischen dem SSR und der Auflagefläche angeordnet sind. Sie ermöglichen die Kühlung des Geräts bei hohen Lasten unter Beibehaltung seiner Betriebseigenschaften.

Das Relais wird hauptsächlich über eine spezielle Halterung auf der Hutschiene befestigt, die auch eine zusätzliche Funktion hat: Sie leitet überschüssige Wärme während des Betriebs des Geräts ab.

Es wird empfohlen, zwischen Relais und Kühlkörper eine Schicht Wärmeleitpaste aufzutragen, die die Kontaktfläche vergrößert und die Wärmeableitung erhöht. Es gibt auch SSRs, die mit gewöhnlichen Schrauben an der Wand befestigt werden.

Nach Art der Steuerschaltung

Das Funktionsprinzip der geregelten Relaistechnik erfordert nicht immer eine sofortige Auslösung.

Daher haben Hersteller verschiedene Steuerungsschaltungen für SSRs entwickelt, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden:

1. Nulldurchgangssteuerung. Diese Art der Ansteuerung eines Halbleiterrelais löst nur bei einem Spannungswert von 0 aus. Wird bei Geräten mit kapazitiver, ohmscher (Heizungen) und schwach induktiver (Transformatoren) Last verwendet.
2. Momentansteuerung. Wird verwendet, wenn ein sofortiges Schalten des Relais bei Anlegen eines Steuersignals erforderlich ist.
3. Phasenanschnittsteuerung. Sie beinhaltet die Regelung der Ausgangsspannung durch Änderung der Parameter des Steuerstroms. Wird für die stufenlose Änderung des Heiz- oder Beleuchtungsgrads verwendet.

Festkörperrelais unterscheiden sich auch in vielen anderen, weniger wichtigen Parametern. Daher ist es beim Kauf eines SSR wichtig, das Funktionsschema der anzuschließenden Geräte zu verstehen, um ein möglichst passendes Steuergerät zu erwerben.

Es muss unbedingt eine Leistungsreserve vorgesehen werden, da das Relais eine Lebensdauer hat, die bei häufigen Überlastungen schnell aufgebraucht wird.

Vor- und Nachteile von SSR

Festkörperrelais verdrängen nicht umsonst die herkömmlichen Schütze und Schaltgeräte vom Markt. Diese Halbleiterbauelemente bieten viele Vorteile gegenüber elektromechanischen Gegenstücken, die die Verbraucher dazu bewegen, sich genau für sie zu entscheiden.

Relais für Mikroschaltungen haben kompakte Abmessungen und sind stark im maximalen Durchlassstrom begrenzt. Sie werden hauptsächlich durch Anlöten spezieller Anschlussbeine befestigt.

Zu diesen Vorteilen zählen:

1. Niedriger Stromverbrauch (um 90 % geringer).
2. Kompakte Abmessungen, die eine Montage der Geräte auf engem Raum ermöglichen.
3. Hohe Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit
4. Geringere Geräuschentwicklung, keine für elektromechanische Relais typischen Klickgeräusche.
5. Keine Wartung erforderlich.
6. Lange Lebensdauer dank einer Lebensdauer von Hunderten Millionen Schaltzyklen.
7. Dank der vielfältigen Möglichkeiten zur Modifikation elektronischer Baugruppen haben SSRs erweiterte Anwendungsbereiche.
8. Keine elektromagnetischen Störungen beim Schalten.
9. Beschädigung der Kontakte durch mechanischen Schlag wird vermieden.
10. Kein direkter physischer Kontakt zwischen Steuer- und Schaltkreisen.
11. Möglichkeit zur Lastregelung.
12. Vorhandensein von automatischen Schutzschaltungen in Impuls-SSRs zum Schutz vor Überlast.
13. Einsatzmöglichkeit in explosionsgefährdeten Umgebungen.

Die genannten Vorteile von Festkörperrelais reichen nicht immer für den ordnungsgemäßen Betrieb der Geräte aus. Deshalb haben sie elektromechanische Schütze noch nicht vollständig verdrängt.

Für einen stabilen Betrieb von leistungsstarken Festkörperrelais ist eine effektive Wärmeabfuhr wichtig, da bei erhöhten Temperaturen die Lastspannung stark verzerrt wird (+).

SSRs haben auch Nachteile, die ihren Einsatz in vielen Fällen verhindern.

Zu den Nachteilen zählen:

1. Unmöglichkeit des Betriebs der meisten Geräte mit Spannungen über 0,5 kV.
2. Hohe Kosten.
3. Empfindlichkeit gegenüber hohen Strömen, insbesondere in Anlaufkreisen von Elektromotoren.
4. Einschränkungen bei der Verwendung unter erhöhter Feuchtigkeit.
5. Kritische Reduzierung der Betriebseigenschaften bei Temperaturen unter -30 °C Frost und über +70 °C Wärme.
6. Das kompakte Gehäuse führt bei dauerhaft hohen Lasten zu einer übermäßigen Erwärmung des Geräts, was den Einsatz spezieller passiver oder aktiver Kühlvorrichtungen erfordert.
7. Bei einem Kurzschluss besteht die Möglichkeit des Schmelzens des Geräts durch die Erhitzung.
8. Mikroströme im geschlossenen Zustand des Relais können für den Betrieb der Geräte kritisch sein. Beispielsweise können angeschlossene Leuchtstofflampen periodisch aufleuchten.

Somit haben Festkörperrelais bestimmte Anwendungsbereiche. In Schaltkreisen von Hochspannungs-Industrieanlagen ist ihre Verwendung aufgrund der unvollkommenen physikalischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien stark eingeschränkt.

In der Haushaltsgeräte- und Automobilindustrie haben Festkörperrelais jedoch aufgrund ihrer positiven Eigenschaften eine starke Position.

Mögliche Anschlusspläne

Die Anschlussschemata von Festkörperrelais können sehr vielfältig sein. Jeder Stromkreis wird auf der Grundlage der Merkmale der angeschlossenen Last aufgebaut. Dem Schema können zusätzliche Sicherungen, Steuerungen und Regelgeräte hinzugefügt werden.

Da sich die Steuer- und Lastkreise im Gerät nicht überschneiden, können ihre elektrischen Eigenschaften in beliebigen Parametern voneinander abweichen (+).

Im Folgenden werden die einfachsten und gebräuchlichsten Anschlussschemata von Festkörperrelais vorgestellt:

• normalerweise offen (NO);
• mit verbundenem Kreis;
• normalerweise geschlossen (NC);
• dreiphasig;
• reversierend.

Normalerweise offene (geöffnete) Schaltung – ein Relais, bei dem die Last unter Spannung steht, wenn ein Steuersignal anliegt. Das bedeutet, dass die angeschlossenen Geräte ausgeschaltet sind, wenn die Eingänge 3 und 4 stromlos sind.

Vor dem Kauf eines Relais muss der erforderliche Typ seines Ausgangszustands (geschlossen oder geöffnet) festgelegt werden, um den korrekten Betrieb der angeschlossenen Geräte zu gewährleisten (+).

Normalerweise geschlossene Schaltung – ein Relais, bei dem die Last unter Spannung steht, wenn kein Steuersignal anliegt. Das bedeutet, dass die angeschlossenen Geräte in Betrieb sind, wenn die Eingänge 3 und 4 stromlos sind.

Es gibt ein Anschlussschema für ein Festkörperrelais, bei dem die Steuer- und Lastspannung gleich sind. Diese Methode kann gleichzeitig für den Betrieb in Gleich- und Wechselstromnetzen verwendet werden.

Dreiphasenrelais werden nach etwas anderen Prinzipien angeschlossen. Die Kontakte können in den Varianten 'Stern', 'Dreieck' oder 'Stern mit Neutralleiter' verbunden werden.

Die Wahl des dreiphasigen Anschlussschemas des Relais hängt weitgehend von den Betriebsmerkmalen der als Last angeschlossenen Geräte ab.

Reversible Festkörperrelais werden in Elektromotoren im entsprechenden Modus eingesetzt. Sie werden in einer dreiphasigen Ausführung hergestellt und enthalten zwei Steuerkreise.

Wenn bei einem Relais die Polarität der Kontaktanschlüsse wichtig ist, wird auf der Kennzeichnung immer angegeben, wo Phase und Nullleiter anzuschließen sind.

Elektrische Schaltungen mit Festkörperrelais dürfen nur nach vorheriger Skizze auf Papier aufgebaut werden, da falsch angeschlossene Geräte durch Kurzschluss ausfallen können.

Praktische Anwendung der Geräte

Der Anwendungsbereich von Festkörperrelais ist recht umfangreich. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit und des fehlenden Wartungsbedarfs werden sie oft an schwer zugänglichen Stellen von Geräten installiert.

Bei vielen Relais erfordert der Anschluss der Steuerkreisleitungen die Einhaltung der Polarität, was bei der Montage der Geräte berücksichtigt werden muss.

Die Hauptanwendungsbereiche von Festkörperrelais sind:

• Temperaturregelsystem mit Heizstäben;
• Aufrechterhaltung einer stabilen Temperatur in technologischen Prozessen;
• Überwachung von Transformatoren;
• Lichtsteuerung;
• Schaltungen von Bewegungssensoren, Beleuchtung, Fotosensoren für die Straßenbeleuchtung usw.;
• Steuerung von Elektromotoren;
• unterbrechungsfreie Stromversorgungen.

Mit zunehmender Automatisierung von Haushaltsgeräten verbreiten sich Festkörperrelais immer weiter, und die sich entwickelnde Halbleitertechnologie eröffnet ständig neue Anwendungsbereiche.

Wenn gewünscht, kann ein Festkörperrelais selbst zusammengebaut werden. Eine ausführliche Anleitung finden Sie in diesem Artikel.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Die vorgestellten Videos helfen, die Arbeitsweise von Festkörperrelais besser zu verstehen und sich mit den Anschlussmöglichkeiten vertraut zu machen.

Praktische Vorführung der Funktionsweise eines einfachen Festkörperrelais:

Analyse der Varianten und Besonderheiten von Festkörperrelais:

Testen der Funktionsweise und der Erwärmung von Festkörperrelais:

So gut wie jeder kann eine elektrische Schaltung aus einem Festkörperrelais und einem Sensor zusammenbauen.

Allerdings erfordert die Planung des Schaltplans grundlegende Kenntnisse der Elektrotechnik, da ein falscher Anschluss zu einem Stromschlag oder Kurzschluss führen kann. Durch korrektes Vorgehen kann man jedoch viele im Haushalt nützliche Geräte erhalten.

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