Relais

Unterschiede zwischen elektromechanischen Relais und Halbleiterrelais

| Autor / Redakteur: Olaf Lorenz * / Kristin Rinortner

Relais-Applikation: Wann setzt man elektromechnische Relais und wann Halbleiter-Relais ein?
Relais-Applikation: Wann setzt man elektromechnische Relais und wann Halbleiter-Relais ein? (Bild: TE Connectivity)

Für viele Schaltlösungen lassen sich sowohl Halbleiter als auch elektromechanische Relais einsetzen. Die optimale Lösung hängt von vielen Parametern ab. Wir zeigen die Unterschiede in der Anwendung.

Elektromechanische Relais werden auch im 21. Jahrhundert in sehr großer Stückzahl in den unterschiedlichsten Anwendungen zum Schalten von Strömen eingesetzt. Weltweit werden jedes Jahr mehrere Milliarden Relais produziert und verbaut. Die wesentlichen Vorteile gegenüber Halbleiterschaltern sind die galvanische Trennung von Ansteuer- und Lastkreis sowie die niedrigeren Kontaktwiderstände der Lastseite. Zudem sind die Relais der marktführenden Hersteller sehr zuverlässig und robust, solange sie entsprechend ihrer Spezifikation eingesetzt werden.

Die Halbleitertechnologie ist bei den Entwicklern von elektrischen und elektronischen Schaltungen sehr gut bekannt. Dieses gilt jedoch nicht unbedingt für die Relaistechnologie. Wenn bei der Entwicklung von Schaltungen die besonderen Eigenschaften von elektromechanischen Relais nicht berücksichtigt und sie wie Halbleiterbauelemente behandelt werden, kann es später zu Störungen kommen. Dieser Artikel erläutert die wesentlichen Unterschiede der Eigenschaften von elektromechanischen Relais und Halbleitern.

Schaltzeiten: Durch den elektromechanischen Aufbau ist die Schaltzeit, also die Zeit vom Anlegen des Steuersignals bis zum Wechsel des Schaltzustandes, wesentlich länger als bei Halbleitern. Zudem kann es deutliche Unterschiede zwischen den Ein- und Ausschaltzeiten geben. Die Einschaltzeit (auch Ansprechzeit genannt) ergibt sich aus der induktiven Anstiegszeit des Stromes in der Relaisspule und der Umschlagzeit des Relaisankers. Die Abschaltzeit (auch Rückfallzeit genannt) ergibt sich aus der Zeit, die für den Abbau des Magnetfeldes benötigt wird und wiederum der Umschlagzeit des Relaisankers. Je nach Relaisform und Relaisgröße liegen die Schaltzeiten im ein- bis zweistelligen Millisekundenbereich.

Die von den Herstellern angegebenen Schaltzeiten sind meist typische Werte bei einer Temperatur von 23°C und Nennspannung. Die Einschaltzeit wird durch die Spulenspannung und die Spulentemperatur beeinflusst (Bild 2). Die Abschaltzeit kann sich durch externe Spulenbeschaltungen verlängern. Diese äußeren Einflüsse haben einen wesentlich höheren Einfluss auf die Schaltzeiten als die fertigungsbedingten Streuungen.

Werden Relais in Schaltsystemen mit zeitkritischen Abläufen eingesetzt, sind diese Einflüsse zu beachten und im besten Fall vom Relaishersteller überprüfen zu lassen.

Erregungsspannungen: Im Gegensatz zu Halbleitern sind bei elektromechanischen Relais die Ansprech- und Rückfallspannungen (auch Erregungsspannungen genannt) temperaturabhängig. Die grundsätzliche Funktionsweise von elektromechanischen Relais basiert auf der Erzeugung eines Magnetfeldes, welches ein Massefedersystem (Anker, Kontakt, Feder) bewegt. Das Magnetfeld ist proportional zum Strom, der durch die Relaisspule fließt. Die Relaisspulen bestehen fast immer aus Kupferdraht, dessen Widerstand temperaturabhängig ist, und damit auch die Spannung, die benötigt wird, um den Magnetkreis des Relais zu schließen bzw. zu öffnen. Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes von Kupfer beträgt ca. 0,4% / K.

Die Spulentemperatur erhöht sich durch den Leistungsverlust der Spule und des Lastkreises. Die tatsächliche Temperaturerhöhung der Spule hängt vom Gesamtsystem ab (Spulenspannung, Laststrom, Leitungsquerschnitte, Kontaktierungen, etc.), daher sind die Erregungswerte der Relais üblicherweise in Abhängigkeit der Relaisspulentemperatur spezifiziert und nicht in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur (Bild 3). Der Zusammenhang zwischen Umgebungstemperatur und Spulentemperatur kann entweder unter bestimmten Lastbedingungen gemessen oder simuliert werden. Teilweise werden in Datenblättern für die Spulentemperatur unter Last auch Werte angegeben, die auf Beispielmessungen basieren.

Temperatur: Die temperaturkritischen Komponenten eines elektromechanischen Relais sind die Kunststoffteile (Sockel, Gehäuse, Spulenkörper, Schieber etc.) sowie der Isolationslack des Spulendrahts. Durch den, im Vergleich zu Halbleitern, relativ hohen Anteil von Edel- und Halbedelmetallen (hauptsächlich Silber und Kupfer) im Lastkreis von elektromechanischen Relais ist die Erwärmungszeit bei Strombelastung wesentlich länger. Dadurch können elektromechanische Relais deutlich stärker überlastet werden als Halbleiter. Es ist oft möglich, kurzzeitig den zehnfachen Nennstrom zu führen ohne das Relais negativ zu beeinflussen. Relais sind unempfindlich gegenüber kurzzeitigen Spannungsspitzen. Auch das Anlegen der doppelten Nennspannung an die Relaisspule ist über einen längeren Zeitraum möglich.

Die Einflüsse der Temperatur auf Schaltzeiten, Erregungsspannungen und elektrische Lebensdauer wird in dem jeweiligen Abschnitt erklärt.

Spannung, Strom:Ein Vorteil von nichtpolarisierten Relais gegenüber Halbleiterrelais ist, dass üblicherweise sowohl die Erregungs- als auch die Lastpolarität beliebig ist, d.h. das Relais mit beiden Polaritäten betrieben werden kann.

Der maximale mögliche Laststrom und die maximal mögliche Spulenspannung sind durch die thermischen Grenzen des Relais bestimmt (siehe Abschnitt Temperatur). Die maximale mögliche Lastspannung ist die Spannung, bei der der Abschaltlichtbogen noch erlischt. Bei Wechselstromanwendungen ist es die Spannung, bei der der Lichtbogen nicht erneut von selbst zündet. Beim Nulldurchgang erlischt der Lichtbogen vorerst.

Bei Gleichspannungen hängt die maximal mögliche Lastspannung vom Kontaktabstand sowie weiteren möglichen Lichtbogenlöschmethoden ab, beispielsweise Schutzgas oder Löschmagneten.

Lebensdauer: Die elektrische Lebensdauer von elektromechanischen Relais ist im Wesentlichen durch die Anzahl der Schaltzyklen definiert. Beim Öffnen der Relaiskontakte entsteht ein Lichtbogen (außer bei kleinen Signalpegeln). Im Lichtbogen „verbrennt“ Kontaktmaterial. Der Kontaktabbrand führt letztendlich zu einem Ausfall des Relais. Als Fehlerbild sind entweder nicht mehr schließende Kontakte oder nicht mehr öffnende Kontakte möglich. Die mögliche Anzahl von Schaltzyklen hängt sehr stark von der Last ab, die geschaltet wird. Daher sind zuverlässige Angaben zur Lebensdauer von Relais nur möglich, wenn die Parameter der zu schaltenden Anwendung bekannt sind. Wesentlichen Einfluss haben hier Einschaltstrom, Ausschaltstrom, Lastspannung und die Induktivität der Last. Auch die Schaltfrequenz und die Umgebungstemperatur können die Lebensdauer beeinflussen.

Die Lebensdauer bzw. Zuverlässigkeit von Halbleitern wird oft in FIT (Failure in Time) spezifiziert. Für elektromechanische Relais ist diese Angabe wenig sinnvoll, da die Lebensdauer kaum von der Betriebszeit, sondern vielmehr von der Schalthäufigkeit abhängt. Die Lebensdauer von Relais wird sinnvoller Weise als statistischer Wert der möglichen Anzahl von Schaltzyklen bei einer bestimmten Last angegeben (z.B. B10-Wert einer Weibull-Auswertung). Wenn die Schaltfrequenz eines Systems bekannt ist, kann aus der statistischen Lebensdauer auch ein FIT-Wert berechnet werden.

* Olaf Lorenz arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Connectivity in Berlin.

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Sehr geehrter Herr Lenz, bei diesem Artikel standen die Technologie und Anwendungen im Fokus....  lesen
posted am 11.06.2014 um 10:13 von Unregistriert

Leider fehlt der wichtigste Punkt. Der Preis  lesen
posted am 02.06.2014 um 08:01 von Richard Lenz


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