Halbleiterrelais Schalt-Spiele mit PhotoMOS

PhotoMOS-Relais der neuesten Generation verdrehen dank hervorragender Eigenschaften nicht nur Entwicklern den Kopf, sondern auch dem Strom die Richtung: So lassen sich mit 1 Form B-Typen

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PhotoMOS-Relais der neuesten Generation verdrehen dank hervorragender Eigenschaften nicht nur Entwicklern den Kopf, sondern auch dem Strom die Richtung: So lassen sich mit 1 Form B-Typen klassische Wendeschaltungen für DC-Motoren realisieren. Und wenn es mal ein wenig mehr sein darf, hilft die Parallelschaltung mit zwei MOS-Bausteinen weiter.

Allein im Jahr 2006 wird die Industrie weltweit zirka 3,3 Mrd. Relais verbauen. Der Großteil, gut drei Viertel der Gesamtstückzahl, setzt sich aus elektromechanischen Relais mit Spule und Anker zusammen: Von kleinen Signal- über widerstandsfähige Kfz- bis zu Leistungsrelais dominiert ein technisches Prinzip den Markt, das bereits in den 1830-er Jahren erfunden wurde.

Anders sieht es mit dem restlichen Viertel aus – den Halbleiterrelais. Dreißig Jahre jung zeigen sie die Nachteile des mechanischen Pendants nicht mehr: Weder Schaltgeräusche noch Abnutzungserscheinungen, kaum Verlustleistung im Ansteuerkreis und die wesentlich kompaktere Bauform steigerten die Verkaufszahlen von wenigen Millionen Stück (1980) auf derzeit knapp eine Milliarde Einheiten. Das Ende der Fahnenstange ist noch lange nicht erreicht, denn neue Entwicklungen beseitigen die bisherigen Nachteilen der Halbleiterschalter wie geringere Schaltleistung oder dem Fehlen von Umschalttypen (lange Zeit gab es nur NO-Typen, also Schließer). Insbesondere PhotoMOS-Relais eröffnen mit ihrer linearen Ausgangskennlinie (ohmsches Verhalten), hohen Schaltfrequenzen sowie dem Fehlen einer oftmals störenden Schwellspannung hier neue Möglichkeiten.

Funktionsprinzip von PhotoMOS

Das PhotoMOS-Relais besteht aus drei Einzelelementen (Bild 1): eine Infrarot-Leuchtdiode im Eingangskreis, ein Solarzellenfeld mit Ansteuer-MOSFET und ein- oder zwei Power-MOSFETs für den Ausgangskreis. Bei herkömmlichen Schließern, also 1 Form A-Typen, kommen selbst sperrende Typen zum Einsatz. Öffner sind dagegen in selbst leitender MOS-Struktur ausgeführt.

Sobald die Leuchtdiode angesteuert wird, erzeugt ihr emittiertes Licht eine Photospannung im Solarzellenfeld. Weil sich die Lichtstärke sowohl beim Ein- und Ausschalten sowie durch Stromschwankungen im Eingangskreis ändern kann, schaltet die Photospannung nicht direkt den Ausgangskreis, sondern ist über eine Triggerschaltung gekoppelt. So wird ein definiertes Ansprechverhalten des Ausgangskreises garantiert, denn erst wenn die Schwellspannung des Steuer-MOSFET überschritten ist, schalten die Ausgangs-MOSFETs. Damit wird der „Dimmer“-Effekt – also ein hoher ON-Widerstand im Ein- oder Ausschaltmoment – und damit eine Zerstörung des PhotoMOS durch thermische Überlast vermieden.

Erlischt die Leuchtdiode, bricht die Photospannung ein und die Treiber-MOSFETs schalten wieder ab. Schließer und Öffner funktionieren nach dem gleichen Prinzip; sie unterscheiden sich lediglich im MOSFET-Aufbau, einmal Anreicherungs- und einmal Verarmungs-Typ. Das folgende Beispiel zeigt eine Anwendung mit Schließer- und Öffnertyp.

H-Brücke mit PhotoMOS

Motoren werden heute für viele Aufgaben des täglichen Lebens eingesetzt. Ob sich die Satellitenschüssel automatisch ausrichtet, sich im Fahrzeug Außenspiegel und Sitze dem jeweiligen Fahrer wie von Geisterhand anpassen oder Jalousien und Fenster im Mikrocontroller gesteuerten Haus selbsttätig heben und senken, stets müssen Motoren in der Lage sein, sich je nach Wunsch links- oder rechtsherum zu drehen. Die einfachste und wohl gebräuchlichste Schaltung zur Drehrichtungsänderung bei DC-Motoren ist die H-Brücke, auch Wendeschaltung genannt. Bisher kamen meist elektromechanische Relais als Schaltelemente zum Einsatz.

Aber die fortschreitende Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung von Baugruppen lässt den Einsatz herkömmlicher Relais-Bollwerke kaum mehr zu, Vorteile wie galvanische Trennung von Ein- zu Ausgangskreis möchte man dennoch nicht missen. Abhilfe schaffen hier H-Brücken in PhotoMOS-Technologie. Letztes Jahr erweiterte Panasonic sein Produktportfolio um leistungsstarke Öffner-Typen (Tabelle 1), mit denen bisherige Schaltungsausführungen durch zwei Wechsler-Relais ersetzt werden können.

Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer solchen Brückenschaltung mit PhotoMOS-Relais. Im ungeschalteten Zustand, also ohne Energieaufwendung im Ansteuerkreis, fließt der Strom über die Öffner Q1 und Q3 und treibt den Motor an. Um die Drehrichtung des Motors umzukehren, müssen lediglich die vier PhotoMOS-Relais geschaltet werden. Dank des geringen Stromverbrauchs des LED-Ansteuerkreises genügt ein Steuerstrom von rund 40 mA. Zu beachten ist, dass sich die Schaltzeiten von Öffner und Schließer aufgrund unterschiedlicher Kapazitäten in den Halbleiterstrukturen unterscheiden, wie ein Vergleich in Tabelle 2 zeigt. Würde man alle Relais gemeinsam ansprechen, käme es im ungünstigsten Fall zum Kurzschluss: die Schaltzeitdifferenz der Beispieltypen liegt bei rund einer Millisekunde, in der alle Strompfade geschlossen wären. Je nach Applikation kann diese Schaltzeitdifferenz zum Beispiel über eine Logik, die SPS oder den Mikrocontroller ausgeglichen werden.

Auch beim Abschalten der Relais lässt sich eine Zeitdifferenz beobachten, die einen automatischen Sicherheitspuffer zwischen den Schaltzuständen bildet. Der Schließer-Strompfad ist im vorliegenden Fall bereits nach 0,2 ms geöffnet, während die Öffner erst nach 1 ms wieder schließen. Gilt es, höhere Lasten zu schalten, hilft ein anderer Schaltungstrick weiter.

Schaltstrom verdoppeln

Wie die elektromechanischen Pendants schalten PhotoMOS-Relais sowohl Gleich- als auch Wechselspannung. Das ist keineswegs selbstverständlich, da die oft vergessene Bulk-Drain-Diode der MOSFET-Struktur Strom ja nur in eine Richtung leitet und bei höheren Strömen in Sperrrichtung zerstört wird. Deshalb setzten sich AC-Schaltelemente aus zwei Ausgangs-MOSFETs zusammen, die in der so genannten A-Verschaltung jeweils die positive und negative Halbwelle leiten.

In vielen Applikationen der Medizin-, Sicherheits- oder Automobiltechnik spielt Wechselstrom keine Rolle, dafür möchte man hohe Ströme schalten. Hier spielen PhotoMOS-Relais ihre Flexibilität aus: Mit Hilfe des optionalen Mittelabgriffs der beiden Ausgangs-MOSFETs lassen sich die Halbleiterelemente parallel schalten (C-Verschaltung, Bild 3). So lässt sich zwar kein Wechselstrom mehr führen, durch den auf die Hälfte gesunkenen ON-Widerstand verdoppelt sich dafür der maximal zulässige Laststrom. So lassen sich DC-Lasten mit bis zu 5 A im Platz sparenden 6-Pin-SOP-Gehäuse mit Abmessungen von 8,8 mm × 6,4 mm × 3,6 mm schalten.

Der Vollständigkeit halber sei hier auch die B-Verschaltung genannt, die entweder nur einen der beiden MOSFET-Zweige nutzt und damit einen gegenüber AC etwas höheren DC-Strom führen oder zwei getrennte DC-Stromkreise schalten kann. Tabelle 3 zeigt die unterschiedlichen Verschaltungsarten samt ON-Widerständen und maximal möglichem Laststrom.

Ausblick

Dank der über Jahre stetigen Verbesserung und Weiterentwicklung von PhotoMOS-Relais steht dem endgültigen Siegeszug der kleinen, leichten und sparsamen Schaltelemente nichts mehr im Weg. Viele Applikationen, in denen der Einsatz von Halbleiter-Relais bisher nicht möglich war, können jetzt in vollem Umfang von den Vorteilen der in SMD- oder Durchstecktechnik ausgeführten Universalschalter profitieren.

Panasonic Electric Works Deutschland, Tel. +49(0)8024 6480

Dipl.-Ing. (FH) Markus Bichler ist Applikationsingenieur im Bereich Komponenten bei der Panasonic Electric Works Deutschland GmbH in Holzkirchen tätig.

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