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MOSFET-Relais und elektromechanische Relais im Vergleich

| Autor / Redakteur: Sebastian Holzinger * / Kristin Rinortner

Ein Vergleich zwischen elektromechanischen Relais und Halbleiterrelais hinkt, da beide Typen auf verschiedenen physikalischen Schaltprinzipien basieren. Doch wann ist es sinnvoll, den einen oder anderen Relaistypen zu wählen?

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Relais: Welche Vorteile bieten MOSFET-Relais im Vergleich zu elektromechanischen Relais? Die Größenunterschiede von MOSFET- und elektromechanischem Relais sind deutlich zu erkennen (im Bild AQY- und DSP-Relais von Panasonic).
Relais: Welche Vorteile bieten MOSFET-Relais im Vergleich zu elektromechanischen Relais? Die Größenunterschiede von MOSFET- und elektromechanischem Relais sind deutlich zu erkennen (im Bild AQY- und DSP-Relais von Panasonic).
(Bild: Panasonic)

Als Ende der 1980er Jahre MOSFET-Halbleiterrelais auf den Markt kamen, spekulierten Fachleute schnell über die Ablösung der Elektromechanik durch die Halbleitertechnik. Heute kristallisiert sich heraus, dass sich beide Technologien gut ergänzen und applikationsspezifisch eine harmonische Koexistenz führen.

So bietet die elektromechanische Lösung nach wie vor bei den Kosten sowie durch den einfachen und robusten Aufbau klare Vorteile. Beeinflussen jedoch Energiesparaspekte, Miniaturisierung, Null-Ausfallraten, optimierte Verarbeitungsprozesse oder spezielle Zusatzfunktionen wie Kurzschlussschutz die Auswahl, spielt die moderne Halbleitertechnik ihre Vorteile aus.

Aufgaben von Elementar- und Halbleiter-Relais

Ein Relais trennt Logik- bzw. Steuerstromkreis und Lastkreis galvanisch. Darüber hinaus verknüpft es verschiedene Signalebenen auf unterschiedlichen Potentialen störungsfrei. Die entscheidenden Kriterien hierfür sind: dem Logikkreis möglichst wenig Leistung zu entnehmen und im Lastkreis einen störungsfreien Schalter mit hoher, schaltspielunabhängiger Lebensdauer und Zuverlässigkeit zur Verfügung zu stellen.

Wichtige Kenngrößen sind neben dem Leistungsvermögen bzw. der möglichen Schaltlast der Energieverbrauch pro Volumen, die Verarbeitbarkeit, die Robustheit gegenüber Fehlern und die möglichen Schaltspiele bei konstanten elektrischen Eigenschaften.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen elektromechanischen Relais und MOSFET-Halbleiterrelais besteht in der Art, wie die Last am Ausgang geschalten wird. Beim elektromechanischen Relais übernehmen die Schaltfunktion bewegliche metallische Kontakte, was als zusätzliche galvanische Trennung am Ausgang gilt. Die ebenfalls galvanisch getrennte Kopplung zwischen Ein- und Ausgang erfolgt durch das Magnetfeld der Spule am Eingang. Wie sich das MOSFET-Halbleiterrelais unterscheidet, soll im Folgenden genauer beschrieben werden.

Besonderheiten von MOSFET-Relais

MOSFET-Relais stellen eine spezielle Art von Halbleiterrelais dar. Sie bestehen im Eingangskreis aus einer GaAs-Leuchtdiode, die bereits bei einem Betriebsstrom von nur wenigen Milliampere (min. 0,3 mA) Licht im Infrarotbereich emittiert. Ein optisch gekoppeltes Solarzellenfeld, das durch einen semitransparenten Isolator vom Eingangskreis getrennt ist, wandelt das Licht in eine elek­trische Spannung um (Bild 1).

Durch diese Art der elektrisch nicht leitenden Verbindung ist eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgangskreis gewährleistet. Die erzeugte Photospannung versorgt eine Triggerstufe, welche wiederum die Gates zweier bidirektional, antiseriell verschalteter DMOSFET (Double Diffused MOSFET) ansteuert.

Bild 1: 
Schematischer Aufbau eines MOSFET-Relais.
Bild 1: 
Schematischer Aufbau eines MOSFET-Relais.
(Bild: Panasonic)

Diese Leistungstransistoren befinden sich direkt im Ausgangskreis des Bauteils. Die integrierte Triggerschaltung reagiert ab einem bestimmten Schwellwert der Photospannung und schaltet den Ausgang praktisch digital an und aus, um ein definiertes Schaltverhalten zu ermöglichen.

Um die individuellen Unterschiede bzw. Vor- und Nachteile der beiden Technologien besser zu bewerten, betrachten wir im Folgenden die wesentlichen technischen Parameter Ansteuerleistung, Signalübertragung, HF-Eigenschaften, Schaltzeiten/Schaltprellen, Lebensdauer und Durchgangswiderstand und galvanische Trennung.

Ansteuerleistung: Moderne MOSFET-Relais lassen sich bereits mit Strömen von 0,3 mA ansteuern. Der Spannungsabfall über die LED am Eingang beträgt typ. 1,25 V. Das entspricht einer minimalen Leistungsaufnahme von etwa 0,4 mW (Beispiel AQY232S ). Die Spulenleistungsaufnahme hoch sensitiver, elektromechanischer Relais liegt dagegen im besten Fall bei 50 mW (TXS- Relais). Allerdings sind hier auch bistabile Typen verfügbar, die im geschalteten Zustand gar keine Halteleistung mehr benötigen.

Signalübertragung: Unter zu übertragenden Signalen versteht man meist kleine Ströme und Spannungen, wie sie Thermoelemente, Mikrofone oder ähnliche Sensoren/Wandler erzeugen. Eine Verfälschung des Signals ist hier kritisch. Bei elektromechanischen Relais verfälscht die Thermospannung den Signalweg.

Eine Thermospannung entsteht, wenn sich verschiedene Leiterwerkstoffe an den Verbindungsstellen auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau befinden. Da der Strom an den Kontaktstellen durch verschiedene Feder- und Kontaktwerkstoffe fließt, entsteht die Thermospannung bevorzugt bei monostabilen Relais. Die Ursache dafür ist, dass nach dem Einschalten der Antriebsspule Wärme erzeugt wird und sich Temperaturdifferenzen längs des Strompfades durch den Kontaktfedersatz aufbauen.

Die Richtwerte liegen für Relais mit Goldkontakten bei 0,1 μV pro Kelvin. Einige Typen wie das SX-Relais von Panasonic Electric Works sind für diesen Einsatzfall optimiert und weisen eine Thermospannung von insgesamt 3 μV bei nominellem Betrieb und damit maximaler Erwärmung auf.

Bild 2: 
Isolationsverhalten am Beispiel des MOSFET-Relais AQY221N2S.
Bild 2: 
Isolationsverhalten am Beispiel des MOSFET-Relais AQY221N2S.
(Bild: Panasonic)

Den Thermospannungen elektromechanischer Relais steht die Offset-Spannung der MOSFET-Relais gegenüber. Die Offset-Spannung wird durch freie Ladungsträger im Halbleiter erzeugt. Sie ist ein Maß dafür, wie die Strom-Spannungskennlinie vom Idealpunkt verschoben ist. Die Offset-Spannung ist weitestgehend temperaturunabhängig und kann somit als eine Konstante in der Schaltung berücksichtigt werden. Typische Werte für Offset-Spannungen bei MOSFET-Relais liegen unter 1 μV.

HF-Eigenschaften von Elementar- und MOSFET-Relais

Um eine ausreichende Übersprechdämpfung bei hohen Frequenzen zu erzielen, müssen Relais über geringe Kapazitäten am offenen Kontakt verfügen. Bei elektromechanischen Signalrelais liegen die Werte in der Regel bei ca. 1 pF. Daraus resultieren hervorragende HF-Eigenschaften. Auch bei einer Frequenz von 100 MHz beträgt die Übersprechdämpfung noch 40 dB. Spezielle Hochfrequenzrelais wie das RJ-Relais sind sogar für Frequenzen bis 8 GHz ausgelegt.

Mit MOSFET-Relais lassen sich mittlerweile annähernd so gute Hochfrequenz-Eigenschaften wie beim elektromechanischen Relais erreichen. Die Ausgangskapazitäten bei MOSFET-Relais betragen je nach Typ ebenfalls 1 pF, sodass MOSFET-Relais für Frequenzen im MHz-Bereich ebenfalls verwendbar sind. Bei Anwendungen im GHz-Bereich muss aber weiterhin auf Pin-Dioden oder spezielle HF-Relais zurückgegriffen werden.

Schaltzeiten/ Schaltprellen: Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet, sind MOSFET-Relais den elektromechanischen Relais weit überlegen. Die typische Einschaltzeit von MOSFET-Relais beträgt 0,2 ms und ist abhängig vom LED-Strom und der Umgebungstemperatur. Die Ausschaltzeit beträgt etwa ein Zehntel der Einschaltzeit und ist weitestgehend unabhängig von den Ansteuerbedingungen. Bei elektromechanischen Relais liegen die Schaltzeiten im Bereich von Millisekunden und die Kontakte prellen beim Einschalten.

Lebensdauer: Bei MOSFET-Relais wird die Lebensdauer hauptsächlich durch die Betriebsdauer der LED bestimmt und ist daher praktisch unbegrenzt. Bei ununterbrochenem Betrieb eines MOSFET-Relais kann man mit einer Lebensdauer von mehr als 12 Jahren rechnen.

Die Lebensdauer elektromechanischer Relais ist dagegen abhängig von der mechanischen Konstruktion (mechanische Lebensdauer) sowie von der Last (elektrische Lebensdauer) und wird durch die Zahl der Schaltungen angegeben. Während die mechanische Lebensdauer bei modernen elektromechanischen Relais mehrere Millionen Schaltungen betragen kann, ist die elektrische Lebensdauer stark lastabhängig.

Durchgangswiderstand: Ein Vorteil von MOSFET-Relais besteht darin, dass der Kontaktwiderstand lastunabhängig und über seine Lebensdauer hin konstant bleibt. Der Wert des Durchgangswiderstandes ist allerdings höher als bei elektromechanischen Relais und kann abhängig von der Schaltspannung mehrere Ohm betragen. Zudem ist er stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Im besten Fall liegt der Wert für Schaltspannungen bis 30 V je nach Typ bei etwa 30 mΩ.

Bild 3: 
Kontaktwiderstand des Relais AQY212G_S.
Bild 3: 
Kontaktwiderstand des Relais AQY212G_S.
(Bild: Panasonic)

Der Durchgangswiderstand elektromechanischer Relais bewegt sich dagegen immer im mΩ-Bereich und kann sich über die Lebensdauer des Bauelementes stark ändern. Besonders auf den Kontakten offener Relais können sich bei langen Lagerzeiten dünne Oxidschichten bilden, die den Durchgangswiderstand erhöhen. In der Regel zerstören wenige Schaltspiele unter Last diese Schichten, der Durchgangswiderstand sinkt wieder auf den Datenblattwert.

Galvanische Trennung: Unter galvanischer Trennung versteht man die Trennung durch Isolation. Hierbei ist zwischen galvanischer Trennung zwischen Ansteuer- und Lastseite sowie galvanischer Trennung auf der Lastseite zu unterscheiden. Ein gesperrter Halbleiter gewährleistet keine galvanische Trennung an der Lastseite.

Durch Optokoppler lässt sich aber zumindest die Trennung zwischen Ansteuer- und Lastseite erzielen. Elektromechanische Relais bieten hier einen klaren Vorteil, da sie sowohl auf der Ansteuer- als auch auf der Lastseite eine galvanische Trennung aufweisen. Gerade in Sicherheitsanwendungen kann dies ein ausschlaggebendes Kriterium sein.

Fazit: Wie die bisher aufgeführten Punkte verdeutlichen, haben sowohl MOSFET- als auch elektromechanische Relais ihre Vor- und Nachteile. Abhängig von den geforderten Eigenschaften ist entweder das Halbleiter- oder das elektromechanische Relais für die individuelle Anwendung besser geeignet.

Mittelfristig wird der Marktanteil von MOSFET-Relais insbesondere in der Signaltechnik sicherlich deutlich wachsen. Neben kontinuierlich fallenden Preisen und immer neuen kompakteren Bauformen sind vor allem die technischen Vorteile der Halbleitertechnik Garant für den Erfolg. Die bewährten elektromechanischen Signalrelais behaupten jedoch auch weiterhin ihren Stellenwert und bieten durch Alleinstellungsmerkmale wie die galvanische Trennung am Ausgang eine ideale Ergänzung.

* Sebastian Holzinger ist Produktmanager für Signal- und Halbleiterrelais bei Panasonic Electric Works Europe in Ottobrunn.

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