Relais Wie sich mechanische Relais und Halbleiterrelais unterscheiden

In welchen Sicherheitsschaltungen Relais mit zwangsgeführten Kontakten ausreichen und wo die Kombination mit Halbleiterrelais Sinn macht, erklären wir hier.

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In Bahnanwendungen spielen vor allem elektromechanische Relais – sprich solche mit zwangsgeführten Kontakten – ihre Vorteile aus.
In Bahnanwendungen spielen vor allem elektromechanische Relais – sprich solche mit zwangsgeführten Kontakten – ihre Vorteile aus.
(Bild: ©nokturnal - stock.adobe.com)

Die Kontakte von Relais können durch die Hitze der bei den Schaltvorgängen entstehenden Lichtbögen miteinander verschmelzen. Das hat zur Folge, dass eine Maschine selbst bei der Betätigung des Not-Aus-Schalters weiterlaufen würde – ein gefährlicher Zustand.

Mechanische und elektronische Relais im Überblick

Relais mit zwangsgeführten Kontakten: Um dies zu verhindern, werden Sicherheitssteuerungen mit mindestens zwei Relais mit zwangsgeführten Kontakten eingesetzt. Dabei sind die Ausgangskontakte der Relais in Reihe geschaltet. Fällt nun eines der Relais beispielsweise mit einem verschweißten Schließerkontakt aus, können die Schließerkontakte der weiteren Relais in jedem Fall die Maschine abschalten und damit sicher stillsetzen.

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Durch die Eigenschaft der Zwangsführung bleibt im defekten Relais der Öffnerkontakt in diesem Fehlerfall geöffnet – und das laut Norm mit einer Mindestöffnung von 0,5 mm. Über diesen geöffneten Öffnerkontakt wird der aufgetretene Fehler erkannt und das erneute Einschalten der Maschine verhindert. Ein unkontrolliertes Weiterlaufen einer Anlage bei einem Defekt im Relais ist damit ausgeschlossen.

Was Halbleiterrelais ausmacht: Halbleiterrelais sind eigentlich gar keine richtigen Relais. Sie bestehen nicht aus beweglichen Teilen wie ein Relais, sondern aus Halbleiterbauelementen, Transistoren, Mosfets, Thyristoren, Diacs und Triacs, mit denen eine Relaisfunktion realisiert wird. Das Schaltelement in einem Halbleiterrelais ist ein Schalttransistor, Triac oder Mosfet, der von einem Foto­widerstand oder -transistor (Optokoppler) gesteuert wird. Halbleiterrelais sind sehr kompakt und eignen sich besonders für Anwendungen, in denen hohe Lasten häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen.

Vor- und Nachteile mechanischer Relais

Sicherheitsrelais – also die Relaisvariante mit zwangsgeführten Kontakten – haben im Vergleich zu Halbleiterrelais einige Vorteile, aber auch einige Nachteile. So erzeugen sie beispielsweise eine deutlich geringere Verlustleistung (Eigenerwärmung) als Halbleiterrelais und müssen deshalb – anders als diese – nicht mit Kühlkörpern ausgestattet werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Relais Gleich- oder Wechselstrom führen. Relais mit zwangsgeführten Kontakten sind zudem sehr widerstandsfähig gegenüber Spannungs- und Überstromspitzen, die an den Kontakten oder der Spule kaum Schaden anrichten können.

Halbleiterrelais reagieren dagegen relativ empfindlich gegenüber Stoßströmen: Die inte­grierte C/R-Dämpferschaltung reicht hier nicht aus, um die Spitzen zu unterdrücken. Deshalb wird die kurzzeitige maximale Spitzenspannung des Halbleiterrelais überschritten und es kommt zu einem Überspannungsschaden. Ein weiterer Vorteil von Sicherheitsrelais ist ihr einfacher Aufbau: Er ermöglicht es dem Anwender, Ausfälle und deren Auswirkungen viel besser abzuschätzen als bei Halbleiterrelais.

Was Halbleiterrelais ausmacht

Halbleiterrelais wiederum besitzen einige Vorteile gegenüber Sicherheitsrelais. So verfügen sie im Gegensatz zu elektromechanischen Relais nicht über bewegliche Teile und unterliegen damit auch keinem Verschleiß. Die elektronischen Relais sind zudem kompakter als elektromechanische Relais und weisen eine höhere durchschnittliche elektrische Lebensdauer auf.

Hinzu kommt, dass Halbleiterrelais deutlich kürzere Schaltzeiten bieten. Diese Eigenschaft spielt allerdings nur bei Lichtschranken, die im Sekundentakt betätigt werden, wirklich eine Rolle. Insgesamt gesehen punkten Halbleiterrelais im direkten Vergleich mit Sicherheitsrelais vor allem durch ihre sehr lange Lebensdauer.

Wie sich beide Relaistypen ideal ergänzen

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Schalttechnologien ergänzen sich Sicherheits- und Halbleiterrelais ideal. Die Summe ihrer Eigenschaften ergibt eine sehr effektive Sicherheitssteuerung – besonders für Anwendungen, in denen in kurzen Abständen hohe Lasten geschaltet werden.

„Halbleiter und elektromechanische Sicherheitsrelais bilden hier eine geniale Symbiose“, sagt Stefan Ade, Anwendungsberater im Technischen Support bei Hengstler. „Die Halbleiterrelais halten diesen hohen Belastungen deutlich besser stand als Sicherheitsrelais. Diese wiederum sichern den Halbleiter ab, falls dieser doch einmal durchlegiert und unbrauchbar wird.“ Die Sicherheitsrelais laufen die meiste Zeit „im Leerlauf“ mit und setzen die Anlage im Fehlerfall zuverlässig still.

Halbleiterrelais sind eigentlich gar keine richtigen Relais. Sie bestehen nicht aus beweglichen Teilen wie ein Relais, sondern aus Halbleiterbauelementen, Transistoren, Mosfets, Thyristoren, Diacs und Triacs, mit denen eine Relaisfunktion realisiert wird.

Einsatzgebiete von Halbleiterrelais

Haupteinsatzgebiete für Halbleiterrelais sind Bewegungssteuerungen und Heizungssteuerungen, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, der Kunststoffindustrie (Extruder) oder in Klima-Anlagen und in Lötsystemen. Aber auch in Beleuchtungs- und Pumpensteuerungen werden die verschleißfreien Relais oft verbaut.

Wo ausschließlich Sicherheitsrelais sinnvoll sind

Neben Anwendungen mit beiden Relaistypen gibt es zahlreiche Applikationen, in denen ausschließlich Sicherheitsrelais verbaut werden. In der Regel sind es Applikationen mit sehr hohen Sicherheitsanforderungen, wie in der Bahn- und Aufzugstechnik. Viele elektrische Schaltungen müssen dort die Vorgaben des Safety Integrity Levels (SIL) 3 und 4 erfüllen. Das Safety Integrity Level bezieht sich auf die Zuverlässigkeit von Sicherheitsfunktionen – die Anforderungen an die einzelnen SILs definiert die Norm EN 61508.

Je höher die Gefahr ist, die von einer Anlage ausgeht, desto höher sind auch die Anforderungen an deren funktionale Sicherheit und desto höher ist auch das Safety Integrity Level. Auf der Basis von Relais mit zwangsgeführten Kontakten lassen sich diese Schaltungen für SIL3- und SIL4-Applikationen mit deutlich weniger Aufwand realisieren als mit Halbleiterrelais – vorausgesetzt, die Schaltung ist korrekt ausgelegt.

Anwendungsbeispiele

Sicherheitsrelais von Hengstler in der Bahntechnik

Sicherheitsrelais von Hengstler sind im Bereich Bahntechnik in vielen Anwendungen zu finden. Sie werden in Türsteuerungen und Bremssystemen von Schienenfahrzeugen eingesetzt und auch zum Monitoring von Bahnübergängen oder im sogenannten „Totmannschalter“: Diesen muss der Triebfahrzeug- oder Lokführer regelmäßig betätigen. Tut er es nicht, wird der Zug automatisch sicher gestoppt.

Erstveröffentlichung auf Konstruktionspraxis.

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