Relaistechnik Halbleiterrelais und traditionelle Relais im Vergleich

Anbieter zum Thema

Texas Instruments

TRACO ELECTRONIC GMBH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

RECOM Power GmbH

Halbleiterrelais kombinieren eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit mit sehr kurzen Schaltzeiten und sind deshalb für Automotive-Anwendungen prädestiniert. Ein Vergleich der Funktion und wesentlichen Eigenschaften von Elementarrelais, Photorelais und Halbleiterrelais.

Relais wurden schon vor der Erfindung des Transistors als Schalter verwendet. Die Fähigkeit, Hochspannungssysteme mit Niederspannungssignalen sicher zu steuern, wie es bei der Isolationswiderstandsüberwachung der Fall ist, ist beispielsweise für viele Automobilsysteme notwendig.

Obwohl sich die Technik der elektromechanischen Relais und Schütze im Laufe der Jahre verbessert hat, stellen die Zuverlässigkeit über die Lebensdauer und schnelle Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzeitig geringem Geräuschpegel, geringer Erschütterungsempfindlichkeit und niedrigem Stromverbrauch Entwickler immer noch vor eine Herausforderung.

Bildergalerie

Halbleiterrelais (SSR, Solid State Relay) bieten Vorteile bei Leistungsfähigkeit und Kosten und sind für unterschiedliche Isolationsklassen (Basis-Isolation oder verstärkte Isolation) ausgelegt. Auch in anderen Bereichen punkten Halbleiterrelais gegenüber elektromechanischen Relais (EMR), auch Elementarrelais genannt, und Halbleiter-Photorelais.

Schaltlösungen mit traditionellen Relais

Elektromechanische Relais sind stark verbreitet in Anwendungen, in denen hohe Spannungen geschaltet werden müssen. Mithilfe der Kraft von Elektromagneten werden bei ihnen mechanische Kontakte getrennt bzw. verbunden. Da es sich um mechanische Bauteile handelt, haben Elektromechanische Relais einen äußerst niedrigen Einschaltwiderstand, denn an ihren Kontakten trifft Metall direkt auf Metall.

Abstriche müssen bei Elektromechanische Relais hingegen bei der Schaltgeschwindigkeit und der Zuverlässigkeit gemacht werden. Die beweglichen Teile innerhalb des Relais sind hier ein klarer limitierender Faktor, sodass die Schaltzeiten meist zwischen 5 und 15 ms liegen. Im Laufe der Zeit und gebrauchsbedingt können bei Elektromechanischen Relais außerdem Fehler wie etwa Lichtbogenbildung, Kontaktflattern oder ein Verschweißen der Kontakte auftreten.

Photorelais haben keine beweglichen Teile und bieten eine hohe Isolationsspannung. Sie haben bessere Eigenschaften als Elementarrelais, allerdings sind beim Design verschiedene Aspekte zu beachten, wie etwa die eingeschränkte Leistungsübertragung oder die Alterung der eingebauten LED. Hinzu kommt, dass Photorelais einen externen Strombegrenzungs-Widerstand benötigen und häufig auf zusätzliche FETs angewiesen sind, um den Ein- oder Aus-Zustand der LED zu koordinieren.

Womit Halbleiterrelais punkten

Halbleiterrelais gibt es entweder als Schalter (mit integrierten FETs) oder als Treiber zum Ansteuern externer FETs. Unabhängig davon, ob auf kapazitive oder magnetische Isolation gesetzt wird, lassen sich mit isolierten Halbleiterrelais Schaltungen mit Basis-Isolation oder verstärkter Isolation realisieren.

Der isolierte Schalter TPSI2140-Q1 und der isolierte Treiber TPSI3050-Q1 zeichnen sich gegenüber Elementarrelais durch höhere Zuverlässigkeit und größere Langlebigkeit aus, da es bei ihnen mit der Zeit zu keinem mechanischen Verschleiß kommt.

Halbleiterrelais erreichen somit eine zehnmal höhere Langzeit-Zuverlässigkeit als Elementarrelais. Außerdem liegen die Schaltzeiten der Halbleiterrelais im Bereich von Mikrosekunden, womit sie eine ganze Größenordnung schneller sind als elektromechanische Relais.

Da bei den Bausteinen TPSI3050-Q1 und TPSI2140-Q1 die Stromversorgungs- und Signalübertragung über eine einzige Isolationsbarriere integriert ist, wird keine sekundäre Bias-Stromversorgung benötigt, sodass sich wiederum kleine Lösungsabmessungen realisieren lassen. Bild 1 illustriert die Verwendung des isolierten Schalters TPSI2140-Q1 in einem Hochspannungs-System. Dabei wird auf externe Bauelemente wie eine Bias-Stromversorgung oder externe Steuerungsschaltungen verzichtet.

Power of Electronics 2023

Power of Electronics

Das Knowhow und Networking-Event für Leistungselektronik- und Stromversorgungsexperten bündelt am 17. und 18. Oktober 2023 sieben Spezialkonferenzen, die sich angefangen von der effizienten Stromversorgung über die intelligente Nutzung von elektrischer Leistung, effektiver Elektronikkühlung, aktueller Relaisentwicklungen bis hin zur geordneten Abführung der überschüssigen Energie erstrecken. Buchen Sie ein Ticket und erhalten Sie die Möglichkeit, die Vorträge aller sieben Veranstaltungen zu besuchen.

Jetzt anmelden!

Halbleiterrelais wie der TPSI2140-Q1 oder der TPSI3050-Q1 bieten zusätzliche Vorzüge im Vergleich zu traditionellen Photorelais oder Optokopplern. In Sachen Zuverlässigkeit sind sie gegenüber Photorelais im Vorteil, da sie keine alternde LED enthalten. Außerdem werden keine externen Ansteuerschaltungen benötigt, denn das System kann direkt von einem Logikpegel-Signal angesteuert werden. Tabelle 1 bietet einen qualitativen Vergleich zwischen den verschiedenen isolierten Schalt-Technologien.

Fazit: Halbleiterrelais kombinieren eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit mit sehr kurzen Schaltzeiten, arbeiten auch bei hohen Umgebungstemperaturen und bieten niedrigere Systemkosten. Außerdem warten sie in kleineren Gehäusen mit zuverlässigeren Schalteigenschaften auf.  (kr)

* Pedro Arango Ramirez ist Applikationsingenieur bei Texas Instruments in Longmont / USA.

(ID:49323978)