Germanys Next Top-Relais Elektromechanische Relais und Halbleiterrelais im Vergleich

Der Vergleich zwischen elektromagnetischen und Halbleiter-Relais hinkt, weil beide Typen auf völlig verschiedenen physikalischen Schaltprinzipien beruhen. Doch wann ist es sinnvoll, den einen oder anderen Relaistyp zu wählen? Hilfestellung soll nachfolgende Gegenüberstellung geben.

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Zeitloser Evergreen gegen hippes Model-Mädchen, so könnte ein augenzwinkernder Vergleich zwischen dem seit über hundert Jahren bestehenden elektromagnetischen Relais und seinem aus den 60er Jahren stammenden Halbleiter-Konkurrenten lauten. Diese vereinfachte Anschauung hinkt jedoch, denn beide Typen beruhen auf völlig unterschiedlichen physikalischen Schaltprinzipien.

Halbleiter-Relais oder Solid-State-Relais (SSR) sind kontaktfreie, rein elektronische Relais, realisiert mit elektronischen Schaltern wie Transistoren, Thyristoren oder Metal-Oxide-Semiconductor-(MOS)-Bauelementen. Die galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang wird meist mit Hilfe einer optischen Übertragungsstrecke (PhotoMOS) bewerkstelligt.

Ein elektromechanisches Relais hingegen ist ein Bauelement, das die in einer Spule erzeugte Elektromagnetkraft direkt oder indirekt zur Kontaktbetätigung nutzt. Die galvanische Trennung von Eingangs- zu Ausgangskreis ist durch die räumlich separierte Anordnung von Spule und Kontakten gegeben.

Elektromechanisches Signalrelais oder PhotoMOS-Halbleiterschalter

Die Beliebtheit der herkömmlichen Signalrelais zeigt sich trotz gegenteiliger Prognosen durch stetig steigende Verkaufszahlen. Das liegt nicht nur an dem geringeren Preis im Vergleich zum modernen Halbleiter-Modell, das etwa 20% mehr kostet. Das einst klobige und schwere elektromechanische Relais kommt heute mit nur wenigen Millimetern Kantenlänge daher und auch die Leistungsaufnahme ist wesentlich geringer. Zumindest gilt das für Signalrelais im Leistungsbereich bis zu einem Schaltstrom von 2 A, die in diesem Vergleich betrachtet werden sollen.

Wann ist es sinnvoll, ein elektromechanisches Signalrelais oder einen PhotoMOS-Halbleiterschalter (Bild 1) zu wählen? Hilfestellung soll eine kurze Gegenüberstellung der wichtigsten Eigenschaften, Grenzen und Entwicklungstendenzen dieser beiden Relaistypen geben.

• Verfälschungen bei der Signalübertragung

Unter zu übertragenden Signalen versteht man meist kleine Ströme und Spannungen, wie sie zum Beispiel Thermoelemente, Mikrofone oder ähnliche Sensoren/Wandler erzeugen. Eine Verfälschung des Signals ist hier kritisch.

Bei elektromechanischen Relais verfälscht die Thermospannung den Signalweg. Thermospannung entsteht, wenn sich verschiedene Leitermaterialien 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.

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

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