Nachgefragt – Teil 1 9 Experten zum Thema Relais

Autor / Redakteur: Ines Näther / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Elektromechanische Relais oder doch Halbleiterrelais? Beide Typen haben ihre Vor- und Nachteile wie geringe Ruheströme, Schalten hoher Lasten, galvanische Trennung bzw. hohe Schaltgeschwindigkeiten, so gut wie keinen Verschleiß. Es kommt immer auf die Anwendung an, jede Variante kann ihre Vorteile ausspielen. Wir haben neun Hersteller befragt, welcher Typ aus ihrer Sicht zukünftig vorrangig eingesetzt werden wird.

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(Bild: Weidmüller, E-T-A, Siemens)

Nachgefragt: Elektromechanik versus Elektronik - Relais müssen aufgrund industrieller Vorgaben immer kompakter bauen und zugleich immer höhere Strompegel verkraften. Sind Halbleiterrelais als Alternative eine Option oder können sich elektromechanische Relais trotz des steigenden Miniaturisierungsdrucks weiter behaupten?

Jürgen Steinhäuser, Leiter Vertrieb und Marketing bei Elesta: „Es ist eher ein Nebeneinander. Gerade im Hinblick auf das Preis- Leistungsverhältnis haben die ‚Totgesagten‘ die Nase oftmals vorn.“
Jürgen Steinhäuser, Leiter Vertrieb und Marketing bei Elesta: „Es ist eher ein Nebeneinander. Gerade im Hinblick auf das Preis- Leistungsverhältnis haben die ‚Totgesagten‘ die Nase oftmals vorn.“
(Bild: Elesta)

Jürgen Steinhäuser, Leiter Vertrieb und Marketing bei Elesta: Das scheinbar altbackene Relais ist anpassungsfähig und wenn man an Telekom-Relais denkt, die mittlerweile nur noch einen Platzbedarf von ca. 10 x 6 mm in Anspruch nehmen und dabei ein Lastspektrum von Signallasten bis hin zu 5 A abdecken, wird dies sehr deutlich; so was ist schon beachtlich. Diese fortwährende Miniaturisierung trifft auf praktisch alle Relaisbereiche zu und ist im Allgemeinen nicht der entscheidende Faktor, wenn es um das Für und Wider von elektromechanischen Relais in Bezug auf Halbleiterlösungen geht. Halbleiterrelais sind eine interessante Alternative wenn es um sehr hohe Schaltzyklen geht und wenn die Lasten zum einen sehr gering oder auch sehr hoch sind. Nachteilig bleiben bei den Halbleiterrelais die Fragen der Isolationswerte und der galvanischen Trennung, sowie die oftmals permanente Speisung in den Applikationen.

Es ist eher ein Nebeneinander. Gerade im Hinblick auf das Preis- Leistungsverhältnis und die doch sehr große Robustheit des elektromechanischen Relais gegenüber einem Halbleiterschalter in Punkto kurzzeitige Überbelastung haben die „Totgesagten“ die Nase oftmals vorn.

Patric Groß, Geschäftsfeldmanager in der Sparte Transportation bei E-T-A Elektrotechnische Apparate: „Das Halbleiterrelais bleibt bis auf Weiteres eine Komponente für spezielle Anforderungen.“
Patric Groß, Geschäftsfeldmanager in der Sparte Transportation bei E-T-A Elektrotechnische Apparate: „Das Halbleiterrelais bleibt bis auf Weiteres eine Komponente für spezielle Anforderungen.“
(Bild: E-T-A)
Patric Groß, Geschäftsfeldmanager in der Sparte Transportation bei E-T-A Elektrotechnische Apparate: Auch Halbleiterrelais sind nicht beliebig zu miniaturisieren. Denn auch die Elektronik benötigt Platz und die Verlustleistung in Form von Wärme muss abgeleitet werden. Nicht immer ist das über die Anschlüsse möglich oder erlaubt. Damit bleibt nur noch die (Ober-)Fläche. Gleichzeitig sind Halbleiter bezüglich der thermischen Grenzen genauso kritisch zu sehen wie elektromechanische Relais. Auch das Silizium des Leistungshalbleiters reagiert mit irreversibler Zerstörung, wenn zu lange zu viel Energie durch die Verluste in Wärme ungesetzt wird.

Natürlich werden die Halbleiter immer besser, da der Durchgangswiderstand immer geringer wird. Aber die Kosten eines Halbleiterrelais sind verglichen mit dem elektromechanischen Relais noch um einiges höher. Eine Wende ist hier noch länger nicht in Sicht. Damit bleibt das Halbleiterrelais bis auf Weiteres eine Komponente für spezielle Anforderungen.

Mit Blick auf die Integration der Relaisfunktion in Steuereinheiten bzw. auf der Leiterkarte, das heißt dem Leistung schaltenden Ausgang, ist der Ersatz des elektromechanischen Relais durch den Halbleiter kostenseitig eher vertretbar. Hier kann die Integration der Elektronik für die Relaisfunktion einen weiteren Fertigungsschritt sparen, der bei Bestückung mit einem Leistungsrelais oder dessen Anbindung auf andere Art nötig wäre.

Mit der galvanischen Trennung spricht noch ein Punkt gegen das völlige Aus für elektromechanische Relais. Diese ist zwar in 12 und 24 V Systemen seltener gefordert. Bereits bei 48 V wird sie oft ein Muss und ist über 60 V sogar meist vorgeschrieben. Zumindest sobald Spannung führende Teile für Bediener, Servicemitarbeiter oder gar ungeschulte Personen zugänglich sind.

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Die elektromechanischen Relais werden somit trotz des Miniaturisierungsdrucks weiter bestehen bis die beschriebenen Nachteile der Halbleitertechnologie gelöst sind.

Berthold Schlechtriemen-Proske, Prokurist sowie Leitung Marketing & Vertrieb bei Finder: „Ja, sie leben immer noch, die elektromechanischen Relais aus den Anfangstagen der Elektrotechnik: Das Bindeglied zwischen Logik und Last.“
Berthold Schlechtriemen-Proske, Prokurist sowie Leitung Marketing & Vertrieb bei Finder: „Ja, sie leben immer noch, die elektromechanischen Relais aus den Anfangstagen der Elektrotechnik: Das Bindeglied zwischen Logik und Last.“
(Bild: Finder)
Berthold Schlechtriemen-Proske, Prokurist sowie Leitung Marketing & Vertrieb bei Finder: Ja, sie leben immer noch, die elektromechanischen Relais aus den Anfangstagen der Elektrotechnik: Das Bindeglied zwischen Logik und Last. Die anhaltende Miniaturisierung der letzten Jahre bei gleichzeitiger Forderung der Anwender nach einer hohen Temperaturfestigkeit und einem höherem Schaltvermögen hat die Relais fit gemacht für viele Applikationen auf der der Leiterplatte oder der Hutschiene. Vom Einsatz in der Automatisierungstechnik mit dem Schalten von Strömen kleiner 5 mA über hartvergoldete Kontakte oder als Leistungsrelais für Wechselrichter mit einem Schaltvermögen bis zu 80 A ist das elektromechanische Relais ein zuverlässiger und unverzichtbarer Baustein in der Automatisierungstechnik und moderner Elektronik.

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Halbleiterrelais sind elektronische Bauelemente, also keine Relais im eigentlichen Sinne, obwohl sie dieser Kategorie zugeordnet werden. Im Halbleiterrelais kommen Transistoren oder Thyristoren bzw. Triacs zum Einsatz. Also Bauelemente ohne bewegliche Teile wie in der Elektromechanik. Sie schalten geräuschlos und verschleißfrei und werden dort eingesetzt wo eine hohe Schalthäufigkeit unerlässlich ist. So verfügt jeder Relaistyp – Elektromechanik oder Halbleiter – über Vor- und Nachteile und wird daher gezielt dort eingesetzt, wo die jeweiligen Stärken des Bauteils gefordert sind.

Andries de Bruin, European Marketing Manager bei Omron Electronic Components Business Europe: „Wir verkaufen mehr Schalter und Relais als je zuvor und wir sehen keine Anzeigen für ein Schwinden der Nachfrage.“
Andries de Bruin, European Marketing Manager bei Omron Electronic Components Business Europe: „Wir verkaufen mehr Schalter und Relais als je zuvor und wir sehen keine Anzeigen für ein Schwinden der Nachfrage.“
(Bild: Omron Electronic Components)

Andries de Bruin, European Marketing Manager bei Omron Electronic Components Business Europe: Halbleiter- und elektromechanische Relais und Schalter existieren nun schon seit sehr vielen Jahren nebeneinander und bei Omron gelten die beiden als sich ergänzenden Technologien. Wir verkaufen mehr Schalter und Relais als je zuvor und wir sehen keine Anzeigen für ein Schwinden der Nachfrage. Halbleiterrelais sind ebenfalls ein bedeutender Anteil unseres Geschäfts und haben durch die geringe Baugröße in bestimmten Anwendungen durchaus ihre Vorteile. Doch hinsichtlich der Kosten ist eine elektromechanische Lösung nur schwer zu schlagen.

Markus Bichler, Produktmanager im Bereich Komponenten bei Panasonic Electric Works Europe: „Es stellt sich auch in Zukunft keine Entweder-oder-Frage, beide Technologien werden auf absehbare Zeit nebeneinander bestehen.“
Markus Bichler, Produktmanager im Bereich Komponenten bei Panasonic Electric Works Europe: „Es stellt sich auch in Zukunft keine Entweder-oder-Frage, beide Technologien werden auf absehbare Zeit nebeneinander bestehen.“
(Bild: Panasonic Electric Works Europe)

Markus Bichler, Produktmanager im Bereich Komponenten bei Panasonic Electric Works Europe: Es stellt sich auch in Zukunft keine Entweder-oder-Frage, beide Technologien werden auf absehbare Zeit nebeneinander bestehen. Erfordert die Anwendung etwa galvanische Trennung oder eine gewisse Überlasttoleranz, ist das klassische Relais meist erste Wahl. Problemloses Schalten abwechselnder, hoher AC- oder DC Ströme sowie eine niedrige Verlustleistung am Kontakt und damit weniger Erwärmung des Systems sind weitere Pluspunkte. Bei dedizierten Lasten und hohen Schaltspielzahlen spielen Halbleiter, wie etwa die Photo MOS Schalter, ihre Vorteile aus. Preislich können Halbleiter nicht immer mit ihrem elektromechanischen Pendant mithalten, und die Kosten sind oftmals ausschlaggebender als die Baugröße.

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Dirk Wortmann, Senior Specialist Relay Technology & Application bei Phoenix Contact Electronics: „Auf Seiten der Interface-Hersteller geht es eher um Grenzen der praktischen Produkthandhabung und der anschließbaren Leiterquerschnitte.“
Dirk Wortmann, Senior Specialist Relay Technology & Application bei Phoenix Contact Electronics: „Auf Seiten der Interface-Hersteller geht es eher um Grenzen der praktischen Produkthandhabung und der anschließbaren Leiterquerschnitte.“
(Bild: Phoenix Contact)

Dirk Wortmann, Senior Specialist Relay Technology & Application bei Phoenix Contact Electronics und Carsten Gregorius, Senior Specialist Safety bei Phoenix Contact: Es ist grundsätzlich richtig, dass elektromechanische Relais in der Automatisierungstechnik, also vorwiegend klassisch im Schaltschrank, weiterhin dem Trend der Miniaturisierung unterworfen sind. Phoenix Contact hat sich dieser Herausforderung bereits seit 1996 mit der lediglich 6,2 mm schmalen, steckbaren Koppelrelais-Serie PLC angenommen. Dieser Entwicklung sind im folgenden Jahrzehnt fast alle namhaften Relais- und Interface-Hersteller gefolgt.

Allerdings stoßen sie hier zunehmend an Grenzen. Denn seitens der Relaishersteller ist eine Verringerung des Bauvolumens bei gleichzeitiger Erhöhung der Schaltleistung und mindestens gleichbleibenden Isolationseigenschaften nur bis zu einem gewissen Punkt möglich. Es muss zudem bedacht werden, dass erheblich verkleinerte Relais aufgrund der erforderlichen Präzision der Fertigungsautomaten, der komplexen Montageschritte und der benötigten hochwertigen Materialien nicht unbedingt zu günstigen Kosten produzierbar sind. Der Anwender erwartet also einen nennenswerten technischen Vorteil, wenn die Kosten für das Bauteil steigen.

Carsten Gregorius, Senior Specialist Safety bei Phoenix Contact: „Phoenix Contact hat das erste Elementarrelais mit einer Baubreite von nur 6 mm entwickelt – inklusive Zwangsführung. Die daraus resultierenden Möglichkeiten versprechen bisher nicht gekannte Nutzungsmöglichkeiten für Sicherheitsrelais.
Carsten Gregorius, Senior Specialist Safety bei Phoenix Contact: „Phoenix Contact hat das erste Elementarrelais mit einer Baubreite von nur 6 mm entwickelt – inklusive Zwangsführung. Die daraus resultierenden Möglichkeiten versprechen bisher nicht gekannte Nutzungsmöglichkeiten für Sicherheitsrelais.
(Bild: Phoenix Contact)

Auf Seiten der Interface-Hersteller geht es eher um Grenzen der praktischen Produkthandhabung und der anschließbaren Leiterquerschnitte. Vor diesem Hintergrund ist bei einkanaligen Relaislösungen wie der 6,2 mm schmalen PLC-Serie fast das Ende des Machbaren erreicht.

Höhere Strompegel sind in der Automation nicht oder lediglich punktuell ein Thema. Die Betriebsmittel, die von Relais geschaltet werden, sind im Gegenteil immer stromsparender ausgelegt. Wichtiger sind den Anwendern in diesem Umfeld oftmals eine möglichst hohe Zuverlässigkeit sowie eine lange Lebensdauer der Relaisprodukte.

Grundsätzlich gelten elektromechanische Relais – insbesondere in der Sicherheitstechnik – wegen ihrer Bauweise als sehr zuverlässige Komponenten. Im Bereich der Elementarrelais mit Zwangsführung, die für den Einsatz in Sicherheitsapplikationen konzipiert sind, gab es in den letzten Jahren hinsichtlich der Miniaturisierung und Erhöhung der Schaltleistung keine nennenswerten Evolutionsschritte. Dies hat Phoenix Contact zum Anlass genommen und das erste Elementarrelais mit einer Baubreite von nur 6 mm zu entwickeln und auch selbst zu fertigen – und das inklusive Zwangsführung. Die daraus resultierenden Möglichkeiten versprechen bisher nicht gekannte Nutzungsmöglichkeiten für Sicherheitsrelais.

Die Lebensdauer eines Relais ist physikalisch durch den Kontaktverschleiß begrenzt. Je nach Lastparameter liegen reale Werte zwischen einigen Zehntausend sowie Millionen Schaltspielen. Das hört sich viel an, kann im Einzelfall jedoch wenig sein, wenn beispielsweise fast im Sekundentakt in einer Anwendung geschaltet wird. Die Lebensdauer beträgt dann unter Umständen lediglich wenige Tage, Wochen oder Monate. Hier spielen die verschleißfreien Halbleiterrelais ihre Vorteile aus.

Doch die so genannten Solid-State-Relais haben ebenfalls Nachteile. Während ihre elektromechanischen Pendants bei hohen Strömen nur wenige Milliohm Kontaktwiderstand aufweisen, die eine geringe Verlustwärme erzeugen, werden in Solid-State-Relais vorwiegend Transistoren (DC-Lasten) und Triacs (AC-Lasten) als Schaltglieder verwendet. Insbesondere letztere haben 1 bis 1,4 V Spannungsabfall im Lastkreis und verursachen erhebliche Wärme. Um diese abzuführen, bedarf es bei höheren Strömen teurer Kühlkörper, die die Geräte nicht nur größer, sondern auch teurer machen.

Deshalb hat Phoenix Contact schon vor Jahren die besten Eigenschaften der elektromechanischen und Solid-State-Relais in der Produktfamilie Contactron zusammengeführt. Dem Konzept der dreiphasigen Hybrid-Motorstarter sind mittlerweile Branchengrößen aus der Schützwelt gefolgt. Bei den Contactron-Geräten führt der Halbleiter den Ein- und Ausschaltvorgang aus, der bei mechanisch schaltenden Relais und Schützen deutlichen Verschleiß an den Kontakten bedingt. Nach dem Schaltvorgang übernehmen die elektromechanischen Relais wieder und führen den Strom ohne nennenswerte Verluste. So lässt sich in einem daumenbreiten Gerät eine Produktfamilie vollwertiger Wende-Motorstarter für die Massengut-Motoren im Leistungsbereich bis 4 KW mit verschiedenen Zusatzfunktionen realisieren.

Christian Knorr, Leiter Produktmanagement für Funktionsrelais und Sicherheitsschaltgeräte bei der Siemens-Division Digital Factory
Christian Knorr, Leiter Produktmanagement für Funktionsrelais und Sicherheitsschaltgeräte bei der Siemens-Division Digital Factory
(Bild: Siemens)

Christian Knorr, Leiter Produktmanagement für Funktionsrelais und Sicherheitsschaltgeräte bei der Siemens-Division Digital Factory: Halbleiterrelais und elektromechanische Relais stehen nicht in direkter Konkurrenz zueinander, sondern ergänzen sich eher in ihren Eigenschaften, sodass der Anwender die jeweils optimale Lösung wählen kann.

Halbleiterrelais sind vor allem für häufiges, lautloses und schnelles Schalten geeignet, da keine mechanische Bewegung und damit kein Verschleiß auftritt. Nachteilig ist die fehlende galvanische Trennung im ausgeschalteten Zustand, denn bei Halbleitern fließt immer ein kleiner Reststrom.

Elektromechanische Relais dagegen bieten Kontaktabstände, die selbst hohen Spannungen an den Kontakten wiederstehen. Auch die Verlustleistung der Halbleiterrelais und damit deren Erwärmung ist – insbesondere durch die Forderung nach immer kleineren Relais bei höheren Leistungen – problematisch.

Beide Techniken haben also ihre Vorteile und Einschränkungen. Daher bieten immer mehr Hersteller, ebenso wie Siemens, Relaisvarianten in beiden Ausführungen an. Der Anwender kann so das für ihn und seine Applikation am besten geeignete Gerät auswählen.

Frank Polley, Produktmanager Relaiskoppler und Halbleiter-Relais bei Weidmüller: „Beide Relaisarten haben ihre Daseinsberechtigung. Während bei Relais die Miniaturisierung bereits die physikalischen Grenzen erreicht hat, gibt es bei Halbleiterrelais noch neue Entwicklungen in Richtung einer größeren Schaltleistung und Funktionsintegration.“
Frank Polley, Produktmanager Relaiskoppler und Halbleiter-Relais bei Weidmüller: „Beide Relaisarten haben ihre Daseinsberechtigung. Während bei Relais die Miniaturisierung bereits die physikalischen Grenzen erreicht hat, gibt es bei Halbleiterrelais noch neue Entwicklungen in Richtung einer größeren Schaltleistung und Funktionsintegration.“
(Bild: Weidmüller)

Frank Polley, Produktmanger Relaiskoppler und Halbleiter-Relais bei Weidmüller: Sowohl klassische Elektromechanische wie auch Halbleiter-Relais haben ihre Daseinsberechtigung – es kommt auf Applikation und Aufgabe an, welche die Relais erfüllen müssen. Erstere werden in der Praxis aufgrund ihrer Eigenschaften wie potenzialfreies Schalten, galvanische Trennung oder geringe Übergangswiderstände geschätzt. Das Relais kann ein bis vier Kontakte aufweisen, die als Schließer-, Öffner- oder Wechsler-Kontakt ausgeführt sind. Die Kontakte können sowohl AC- wie auch DC-Spannungen schalten.

Bildete man in der Vergangenheit mit Relais oft die Boolesche Algebra nach, so hat sich ihr Einsatz gewandelt. Relais werden als Schaltverstärker eingesetzt zum Schalten von hohen elektrischen Leistungen mit niedriger Eingangsleistung. Kunden schätzen vor allem die ‚physische Öffnung‘ des Stromkreises, der Lastkreis wird Spannungsfrei geschaltet. Bei Halbleiterrelais müssen Anwender den verbleibenden Leckstrom berücksichtigen.

Eine weitere Aufgabe: Das gleichzeitige und potenzialgetrennte Schalten mehrerer Laststromkreise mit nur einem Steuerstromkreis. Anwender legen besonderen Wert auf die galvanische Trennung zwischen den steuernden und zu schaltenden Stromkreis, das heißt das Relais dient der Potenzialtrennung. Elektromechanische Relais sind erschütterungs- und stoßempfindlich, haben eine Geräuschentwicklung beim Schalten und verschleißen.

Und hier kommen Halbleiter-Relais ins Spiel: Sie bieten gegenüber elektromechanischen Relais gleich mehrere Vorteile: Sie schalten über eine lange Lebensdauer hinweg hoch zuverlässig, verursachen keine Geräusche und schalten Lasten prellfrei. Unempfindlich gegenüber Schock und Vibrationen beeinflussen bzw. stören sie nicht, benachbarte Baugruppen während des Schaltvorgangs durch elektromagnetische Felder oder Schaltfunken. Außerdem lassen sich Halbleiterrelais problemlos mit ‚Intelligenz‘ ausstatten – ein besonders interessanter Aspekt beim Thema Industrie 4.0.

Halbleiter-Relais besitzen hohe Schaltzyklen, sie sind besonders prädestiniert für das häufige Schalten hoher ohmscher Lasten - wenn ihre interne Verlustleistung in der Anwendung vernachlässigt werden kann. Halbleiter-Relais kommen etwa beim Takten einer Heizung zum Einsatz, um die Heizleistung zu regeln. Im Vergleich zu elektromechanischen Relais verschleißen sie nicht, das heißt ihre Lebensdauer ist quasi unbegrenzt – über viele Jahre hinweg schalten sie Lasten zuverlässig.

Fazit: Wie eingangs erwähnt: Beide Relaisarten haben ihre Daseinsberechtigung – es kommt halt auf die jeweilige Applikation an.

Während bei Relais die Miniaturisierung bereits die physikalischen Grenzen erreicht hat, gibt es bei Halbleiterrelais noch neue Entwicklungen in Richtung einer größeren Schaltleistung und Funktionsintegration. Sie lassen sich beispielsweise vorteilhaft zur Lastüberwachung und Auswertung einsetzen. Dieser Trend wird aus dem Automobilbereich heraus getrieben, zum Beispiel bei der Scheinwerfer-Überwachung. Diese Mechanismen sind auch für die Industrie interessant und werden entsprechend genutzt. Ein weiterer Trend stellt die Kombination von mechanischen Relais und Halbleiterrelais über u-Controller dar. Diese Entwicklung kombiniert die Vorteile beider Techniken, etwa zur Verschleißminimierung an Relaiskontakten.

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