Halbleiterrelais oder elektromechanische Relais: Lebenszeitkosten

| Autor / Redakteur: Zach Wendt * / Kristin Rinortner

Die Qual der Wahl des Anwenders: Wann lohnt sich der Einsatz von Halbleiterrelais und wann der von elektromechanischen Relais?
Die Qual der Wahl des Anwenders: Wann lohnt sich der Einsatz von Halbleiterrelais und wann der von elektromechanischen Relais? (Bild: Arrow)

Elektromechanische Relais sind in der Anschaffung immer günstiger als Halbleiterrelais. Trotzdem lohnt sich ein Kostenvergleich über die Lebensdauer. Hier punkten oft Halbleiterrelais. Der Beitrag versucht einen Vergleich auf Basis der Gesamtkosten.

Einige halten Halbleiterrelais für die überlegene Lösung in Anwendungen für Leistungsschalter, andere bestehen darauf, dass elektromechanische Relais die beste Wahl seien. Wer hat Recht und aus welchen Gründen? Um diese Fragen zu beantworten, betrachten wir die Unterschiede zwischen elektromechanischen Relais und Halbleiterrelais, ihre Funktionsweise und vergleichen ihre Spezifikationen auf verschiedenen Ebenen.

Ein Relais ist ein Leistungsschalter, der zur Verteilung von Leistung verwendet werden kann, ohne den Schalter manuell zu öffnen oder zu schließen. Um Strom ein- und auszuschalten, benötigt ein Relais nur ein kleines elektrisches Signal. Dieses Signal ist sozusagen ein „Türsteher” für ein viel größeres elektrisches Signal. Die Möglichkeit, ein Hochspannungssignal über ein Niederspannungssignal zu steuern, hat Relais zu einem bedeutenden Teil in der Geschichte der Elektronik gemacht.

Unterschiede zwischen elektromechanischen Relais und Halbleiterrelais

Ein elektromechanisches Relais (EMR) nutzt ein bewegliches Teil, um die Kontakte in den Ausgangskomponenten des Relais zu verbinden. Die Bewegung dieses Kontakts wird durch die Nutzung elektromagnetischer Kräfte vom Niederspannungs-Eingangssignal generiert, was die Schließung des Schaltkreises ermöglicht, der das Hochspannungssignal enthält.

Die Komponenten im elektromechanischen Relais machen für gewöhnlich ein „Klick”-Geräusch, das in manchen Situationen nützlich sein kann, obwohl es zu interner Bogenbildung führen kann und es eine relativ lange Zeit zur Bewegung braucht.

Ein Halbleiterrelais (SSR) könnte auch das Pflegekind der Halbleiterindustrie sein. SSRs nutzen ein elektrisches Niederspannungssignal, um ein optisches Signal zu erzeugen, normalerweise mit einem Oktokoppler, das ein Ausgangssignal überträgt und erregt. Bei Aktivierung fungiert das Eingangssignal als „Schalter”, der es ermöglicht, ein Hochspannungssignal durch die Halbleiter-Ausgangskomponente zu senden. Dazu gibt es mehrere Wege, aber allen gemeinsam ist, dass es keine beweglichen Teile gibt.

Beide Techniken eignen sich für Heizungs- und Beleuchtungsanwendungen sowie die Bewegungssteuerung. Halbleiterrelais sind jedoch den elektromechanischen Relais in den meisten Vergleichskategorien überlegen. Elektromechanische Relais sind eine relativ alte Technologie, die auf einer einfachen Konstruktion beruht. Im Gegensatz dazu sind Halbleiterrelais komplexer. Man könnte nun argumentieren, dass ein komplexes Produkt nicht unbedingt besser als ein vergleichbares einfacheres Produkt ist, das denselben Zweck erfüllt. Das komplexere Halbleiterrelais bietet bessere Leistungsdaten

Wann ein Halbleiterrelais verwenden?

Halbleiterrelais sind zunächst im Vergleich zu einem elektromechanischen Relais recht teuer. Ein SSR statt eines EMR zu integrieren, bedeutet jedoch unter dem Strich geringere Gesamtkosten, abhängig von der jeweiligen Anwendung. Das werden wir später diskutieren. Halbleiterrelais schneiden bei den Leistungsdaten in vielen Bereichen besser ab als elektromechanische Relais. Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung der beiden Typen.

Halbleiterrelais sind in der Regel dynamischer als elektromechanische Relais. In einem Bereich haben EMRs jedoch einen Vorteil: Dem Wärmemanagement. Halbleiterrelais haben bau- und prinzipbedingt größere Verlustleistungen. Das bedeutet, dass Entwickler Kühlkörper und Ventilatoren in ihre Designs integrieren müssen, was insgesamt die Kosten erhöht.

Bevor Sie Halbleiterrelais von vorne herein aus Kostengründen ausschließen, sprechen wir noch über Gesamtkosten sowie einzelne Faktoren, woraus sich „Kosten” zusammensetzen.

Kostenvergleich zwischen elektromechanischem Relais und Halbleiterrelais

Ingenieure sind in der Regel auf Leistung bedacht, und höhere Leistung bedeutet normalerweise höhere Kosten. Auf der anderen Seite interessieren Supply-Chain-Manager vor allem der Anschaffungspreis und die Lieferzeiten von Teilen. Das wird allgemein als Beschaffungskosten bezeichnet.

Business- und Marketing-Manager sehen vor allem die Garantiekosten. Die Garantiekosten berechnen sich aus der Lebensdauer und den damit verbundenen Wartungskosten für Ausfall-, Transport- und Reparaturzeiten sowie Arbeitskraft. Von diesen Kosten kann nur der ursprüngliche Teilepreis mit den oben genannten, einmaligen Kosten verglichen werden.

Nur weil elektromechanische Relais einen geringeren Anschaffungspreis haben, heißt das nicht, dass sie deswegen „weniger kosten”, wenn man alle anderen versteckten Kosten betrachtet, die später ins Spiel kommen. Heutzutage fordern Manager „schnellere, bessere, billigere” Lösungen, die sich oft als widersprüchlich herausstellen, weil billiger nicht immer schneller und/oder besser bedeutet.

Mit den Halbleiterrelais und -schützen von Sensata-Crydom können Sie jedoch hinsichtlich der Gesamtbetriebskosten in der Tat schnellere, bessere und günstigere Produkte herstellen. Deren Halbleiterrelais sind verlässliche Lösungen, die zur Langlebigkeit der Anwendung beitragen, sodass Sie sich kaum um Pflege, Reparatur oder Ersatz kümmern müssen, wenn sie einmal installiert sind.

Tabelle 1: Vergleich wichtiger Eigenschaften von Halbleiterrelais und elektromechanischen Relais.
Tabelle 1: Vergleich wichtiger Eigenschaften von Halbleiterrelais und elektromechanischen Relais. (Bild: Arrow)

Ein nützliches Werkzeug zum Kostenvergleich

Zur Vereinfachung der Analyse der Gesamtbetriebskosten (TCO) von Halbleiterrelais im Vergleich zu elektromechanischen Relais hat Sensata-Crydom einen TCO-Rechner entwickelt. Sie finden diesen auf deren Website auf der Registerkarte „Tools“.

Dabei werden Angaben zu direkten und indirekten Kosten berücksichtigt. Zudem wird davon ausgegangen, dass beide Schalterlösungen in Übereinstimmung mit der Last und den Stromversorgungssystemen ausgewählt wurden. Darüber hinaus rechnet der Kalkulator die bei verschiedenen Anwendungen gängigen, primär mit der Technologie verbundenen Kosten ein.

Die berechneten Kosten pro Einheit sind die Anschaffungskosten der Schalterlösung. Sie stehen auch für die Hinzunahme von Kühlkörpern (bei SSRs) und Sockeln (bei EMRs), sofern sie benötigt werden. Die Lebensdauer, gemessen in Betriebszyklen, fällt dabei auch ins Gewicht, sowie spezielle Anforderungen für die vorliegende Anwendung. Dies könnten voraussichtliche Zyklen pro Minuten oder die Art der Last (z.B. resistiv, induktiv, Transformator/Kondensator oder Ballast) sein.

Die Angabe der Lastart ist erforderlich, um Anpassungen in Bezug auf die Lebensdauer von elektromechanischen Relais abzuschätzen. Außerdem wird dadurch automatisch die richtige Reduzierung anhand der gewählten Last ausgewählt: 80 Prozent Reduktion bei Motoren, Spulen oder Magnetventilen, 75 Prozent Reduktion bei Transformatoren oder Kondensatoren und 70 Prozent Reduktion bei Ballast.

Auch der Garantiezeitraum wird einkalkuliert. Er dient bei den geschätzten Gesamtbetriebskosten als Zeitreferenz. Der Zeitraum kann geändert werden, um unterschiedliche Zeitrahmen von einem Monat bis zu einem Jahr oder mehr anzuzeigen. Auch die Kosten pro Dienstleistungseinheit sind zu berücksichtigen, da sie je nach Anwendung oder Geschäftsmodell variieren. Bild 3 zeigt den TCO-Rechner von Sensata-Crydom.

Fazit: Lebenszeitkosten von Halbleiterrelais vs. elektromechanischer Relais

Generell kann es bei der Wahl zwischen elektromechanischer und Halbleitertechnologie anfangs schwierig sein, über den höheren Preis der Halbleiterrelais hinwegzukommen. Während das elektromechanische Relais zwar in der Anschaffung günstiger als das Halbleiterrelais ist, steigen mit zunehmender Zyklusanzahl beim EMR jedoch die Kosten für Wartung, Reparatur bzw. Austausch.

Wenn Sie also einmal die Gesamtbetriebskosten für Halbleiterrelais und elektromechanische Relais berechnet haben, werden Sie feststellen, dass die Lebenszeitkosten von Halbleiterrelais gegenüber denen von elektromechanischen Relais in vielen Fällen gleich oder geringer liegen. Die Vorteile von Halbleiterrelais gegenüber elektromechanischen Relais im Hinblick auf die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit bedingen häufig den Einsatz von Halbleiterrelais für die entsprechende Anwendung.

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* Zach Wendt arbeitet als Marketing-Ingenieur Applikation bei Arrow in Manhatten / U.S.A.

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