Halbleiterrelais ohne Kühlkörper Wenn das Hybridrelais das Halbleiterrelais ablöst

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Halbleiterrelais haben das verschleißfreie Schalten von elektrischen Verbrauchern zum Standard gemacht. Doch ihr Grundprinzip erzwingt einen Kompromiss, der in vielen Anwendungen teuer erkauft wird. Das Hybridrelais umgeht dies und ist die langlebigere Lösung.

Das Solid-State-Relais (SSR) hat sich überall dort durchgesetzt, wo elektromechanische Schütze an ihre Grenzen stoßen: bei hohen Schaltzahlen, beim geräuschlosen Betrieb und beim Nullspannungsschalten. Ein SSR schaltet über ein Leistungshalbleiter-Element, typischerweise einen Triac oder zwei antiparallele Thyristoren, vollkommen kontaktlos. Es gibt keinen Lichtbogen, keinen Kontaktabbrand und keinen mechanischen Verschleiß. Ein optogekoppelter Steuereingang trennt Last- und Steuerkreis galvanisch.

Genau diese Halbleiterschalter haben jedoch einen unvermeidbaren Nachteil: Auch im durchgeschalteten Zustand bleibt der Halbleiter ein kleiner Widerstand. Über der leitenden Strecke fällt eine Spannung ab, bei Triacs und Thyristoren liegt diese Durchlassspannung weitgehend lastunabhängig bei rund 1 bis 1,5 V.

Diese Spannung multipliziert mit dem Laststrom ergibt eine kontinuierliche Verlustleistung, die als Wärme abgeführt werden muss. Anders als beim mechanischen Kontakt verschwindet diese Verlustleistung nicht, solange der Verbraucher eingeschaltet ist.

Verlustleistung und Kühlung, das eigentliche Problem

Die Rechnung ist denkbar einfach und genau darin liegt ihre Tragweite. Die Verlustleistung eines SSR wird vom internen Spannungsabfall im Halbleiter U_F und dem Laststrom I_Last bestimmt und beträgt näherungsweise:

P_V ≈ U_F × I_Last

Mit einer typischen Durchlassspannung von 1,2 V ergeben sich daraus schnell beachtliche Werte. Bei 16 A entsteht bereits eine Verlustleistung von rund 19 W; bei 25 A sind es etwa 30 W und bei 40 A nahezu 50 W und das dauerhaft, solange die Last eingeschaltet ist. Diese Verlustleistung und damit einhergehend Wärme entsteht punktuell im Halbleiter und muss über einen Kühlkörper an die Umgebung abgegeben werden, sonst überschreitet die Sperrschichttemperatur im Halbleiter ihren zulässigen Grenzwert (typisch 125 °C) und das Bauteil fällt aus, schaltet dauerhaft ein.

Ein Zahlenbeispiel verdeutlicht den Aufwand: Schaltet ein SSR 25 A bei einer Durchlassspannung von 1,2 V, entsteht eine Verlustleistung von 30 W. Bei einer Umgebungstemperatur im Schaltschrank von 40 °C und einem inneren Wärmewiderstand von Sperrschicht zu Kühlkörper von rund 0,7 K/W darf der Kühlkörper selbst höchstens etwa 2,1 K/W gegen die Umgebung aufweisen, um unter der Grenztemperatur zu bleiben. Das bedeutet in der Praxis einen massiven Strangkühlkörper, oft mehrere cm tief – zuzüglich des Bauraums, der Montagekosten und gegebenenfalls einer Zwangsbelüftung des Schaltschranks, wenn mehrere SSR eingesetzt werden.

Der Kühlkörper ist damit kein kleines Detail, sondern ein systembestimmender Faktor. Er beansprucht wertvollen Platz im Schaltschrank, erhöht das Gewicht, treibt die Stückkosten hoch und verschlechtert die thermische Gesamtbilanz des Geräts. Jedes Watt, das das SSR in den Schrank abgibt, muss an anderer Stelle wieder herausgeführt werden. Ein Effekt, der sich bei mehreren, parallel zu schaltenden Lastkreisen vervielfacht.

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Thermische Alterung: der unsichtbare Verschleiß

Verschleißfrei bedeutet beim SSR nicht alterungsfrei. Die dauernde Wärmebelastung und die Temperaturwechsel zwischen Ein- und Auszustand setzen dem Halbleiter und vor allem seinen Löt- und Verbindungsstellen zu. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Chip, Lötschicht und Träger führen zu mechanischer Wechselbelastung (thermomechanische Ermüdung), die mit der Zeit Mikrorisse und steigende Wärmewiderstände verursacht. Das Bauteil wird schleichend heißer, bis es ausfällt. Häufig ohne Vorwarnung und nicht selten im Kurzschluss, also im dauerhaft leitenden Zustand, was die Last unkontrolliert eingeschaltet lässt.

Je höher die Dauerstrombelastung und je schlechter die Kühlung, desto kürzer ist die zu erwartende Lebensdauer. In thermisch grenzwertig ausgelegten Anwendungen sind Werte unterhalb einer Million wirksamer Lastzyklen keine Seltenheit.

Das Hybridrelais: das Beste aus beiden Welten

Ein Hybridrelais löst den Zielkonflikt, indem es die zwei Aufgaben „verschleißfrei Schalten“ und „verlustlos Stromführen“ auf zwei dafür geeignete Bauelemente verteilt. Es kombiniert einen Halbleiter, in der Regel einen Triac, mit einem mechanischen Relaiskontakt, die intelligent nacheinander arbeiten. Der entscheidende Punkt dabei:

Der Halbleiter übernimmt nur den kurzen, kritischen Moment des Ein- und Aus-Schaltens, während der mechanische Kontakt den verlustarmen Dauerbetrieb erlaubt, weil er den Halbleiterschalter nach dessen Einschalten überbrückt. Das Schalten verläuft in drei Phasen, dem elektronischen Einschalten, der Bypass-Überbrückung und schließlich dem verlustfreien Betrieb.

Elektronisches Einschalten: Der Triac schaltet die Last verschleißfrei zu, wahlweise nullspannungsschaltend, um Einschaltstromstoß und Netzrückwirkungen zu minimieren. In diesem Moment gibt es keinen Kontaktabbrand, weil noch kein mechanischer Kontakt Strom führt.

Danach folgt die Bypass-Überbrückung: Wenige Millisekunden später zieht das mechanische Relais an und überbrückt den Triac. Weil der Kontakt unter bereits fließendem Strom, aber nahezu spannungsfrei schließt, entsteht praktisch kein Schaltlichtbogen. Der Kontakt altert kaum.

Verlustfreier Dauerbetrieb: Der Strom fließt nun ausschließlich über den geschlossenen Metallkontakt mit einem Spannungsabfall von weit unter 0,1 V. Der Triac ist stromlos und kühlt ab. Beim Ausschalten läuft der Vorgang umgekehrt: Der Triac übernimmt beim Öffnen des Kontakts wieder den Strom und löscht ihn im Nulldurchgang, erneut ohne Abbrand des Kontaktes.

Das Ergebnis ist eine Symbiose: Der Halbleiter liefert das sanfte, verschleißfreie und exakt getaktete Schalten eines SSR, während der mechanische Kontakt den Strom so verlustarm führt wie ein Schütz. Mit einem Spannungsabfall unter 0,1 V sinkt die Dauerverlustleistung selbst bei 45 A auf wenige Watt, ein Kühlkörper wird damit überflüssig.

Tabelle 1 fasst die wesentlichen Unterschiede zusammen. Die SSR-Werte beziehen sich auf eine beispielhafte Last von 25 A bei einer Durchlassspannung von 1,2 V.

Mehr als Technik: die wirtschaftliche Rechnung

Die Verlustleistung des SSR ist nicht nur ein thermisches, sondern auch ein betriebswirtschaftliches Problem. Die als Wärme abgegebene Leistung ist verlorene elektrische Energie, die bezahlt werden muss. Ein einziges SSR mit 30 W Dauerverlust, das im Dreischichtbetrieb rund 8.000 Stunden im Jahr leitet, verheizt etwa 240 kWh jährlich pro Lastkreis. In einer Anlage mit Dutzenden solcher Kreise summiert sich das zu vierstelligen Kilowattstundenzahlen, und jedes verheizte Watt muss bei klimatisierten Schaltschränken über die Kühlung noch ein zweites Mal aus dem Schrank befördert werden. Bei Schranklüftern mit Kühlaggregaten kommt deren Stromverbrauch noch hinzu.

Dazu kommen die Kosten des Kühlkörpers selbst: Materialkosten, der beanspruchte Bauraum auf der Hutschiene, der Montageaufwand und im ungünstigen Fall die Lüfter samt deren Wartung und Ausfallrisiko. Das Hybridrelais eliminiert diese Posten weitgehend. Rechnet man die längere Lebensdauer und den entfallenden vorbeugenden Austausch alternder SSR hinzu, ergibt sich über den Lebenszyklus betrachtet (Total Cost of Ownership) in vielen Anwendungen ein klarer Vorteil, trotz des etwas höheren Stückpreises gegenüber einem einfachen SSR.

Die Vorteile von Hybridrelais bei Heizanwendungen

Heizanwendungen sind das Paradebeispiel für den Einsatz des hier vorgestellten Hybridrelais, weil hier gleich mehrere ungünstige Faktoren für normale SSR zusammenkommen. Heizlasten sind ohmsche Lasten und ziehen über lange Zeiträume Dauerströme. Gleichzeitig ist die Umgebung, ein Ofen, ein Heizband oder ein Infrarotstrahler, bereits warm. Ein SSR müsste hier seine Verlustleistung von 20 bis 50 W in eine ohnehin heiße Umgebung abführen, was überdimensionierte Kühlkörper oder aktive Belüftung erzwingt. Das Hybridrelais erzeugt diese Wärme schlicht nicht und bleibt damit auch in heißer Umgebung thermisch unkritisch.

Die Vorteile reichen jedoch deutlich über die Heiztechnik hinaus, weil das Hybridrelais zwei Schwachstellen unterschiedlicher Schalttechnologien zugleich vermeidet.

Transformatoren und Netzteile: Ringkern- und auch Paketkerntrafos erzeugen beim direkten Einschalten am Netz hohe Einschaltstromstoßspitzen (Inrush). Das phasen-richtig, durch Vormagnetisierung des Trafos schaltende Halbleiterelement des Hybridrelais schaltet sanft ein und vermeidet diese Spitzen, ohne dass im Dauerbetrieb Verluste anfallen.

Beleuchtungen und kapazitive Lasten: LED-Treiber und Vorschaltgeräte ziehen kurze, hohe Stromspitzen beim Einschalten. Das elektronische Einschalten schont den mechanischen Kontakt, der bei einem reinen Schütz oder Relais schnell verschleißen würde.

Maschinen- und Schaltschrankbau: Ohne Kühlkörper und ohne Wärmeeintrag schrumpft der Platzbedarf, die thermische Auslegung des Schranks vereinfacht sich und die Packungsdichte steigt, ein direkter 1:1-Ersatz im vorhandenen SSR-Slot ist möglich.

Mess-, Labor- und Medizintechnik: Das definierte, reproduzierbare Schaltverhalten und das Ausbleiben von störender Wärme kommen empfindlichen Analyse- und Prüfsystemen zugute.

Der Transformator verdient dabei eine genauere Betrachtung, weil er gleich zwei Schwächen klassischer Schalter offenlegt. Wird ein Ringkern- oder Paketkerntrafo im ungünstigen Moment der Netzspannung, zum Beispiel nahe dem Nulldurchgang direkt zugeschaltet, entsteht einige Millisekunden verzögert ein hoher Stromstoß, weil der Kern in die Sättigung geraten ist. Der resultierende Einschaltstrom ist dann nur noch durch den geringen Wicklungswiderstand der Primärspule begrenzt und schießt auf ein Vielfaches des Nennstroms (Inrush). Die Absicherung würde auslösen, wenn sie nicht zu groß ausgelegt ist.

Beim Einschalten von Schaltnetzteilen, zum Beispiel LED-Treibern mit mechanischen Kontakten, entsteht beim Einschalten im Spannungsscheitel sofort ein sehr hoher Strom, weil der Zwischenkreiskondensator im Netzteil schlagartig auf 320 V hochgerissen wird. In diesem Fall kann ein mechanischer Kontakt verschweißen oder abbrennen.

Der Grund dafür ist, dass mechanische Kontakte beim Schließen immer leicht prellen. Das bedeutet, dass die Kontakte nach dem ersten Schließen kurz wieder voneinander abheben und dabei ein Lichtbogen entsteht. Aufgrund des hohen Stroms kann dieser Lichtbogen Material von den Kontakten abtragen. Treffen die Kontakte anschließend erneut aufeinander, können sie sogar miteinander verschweißen.

Ein SSR müsste entsprechend überdimensioniert und gekühlt werden. Das Hybridrelais begrenzt beim Einschalten den hohen Einschaltstrom der Last und schaltet diese kontrolliert ein. Anschließend übernimmt der mechanische Kontakt den Stromfluss. Dadurch werden die Vorteile eines elektronischen Schaltvorgangs mit den geringen Verlusten eines mechanischen Kontakts im Dauerbetrieb kombiniert.

Umsetzung in der Praxis: Das Universalrelais USR

Wie konsequent sich das Prinzip umsetzen lässt, zeigt das Universalschaltrelais USR von FSM. Es ist als direkter 1:1-Ersatz für vorhandene SSR-Designs ausgelegt und auf 35-mm-Hutschiene bei nur 2 Teilungseinheiten montierbar. Die kompakte BaseLine-Variante deckt 16 A bei 100 bis 240 V ab, die ProLine-Variante 45 A bei einem Spannungsbereich von 100 bis 480 V für industrielle Lasten.

Der Steuereingang arbeitet mit 4 bis 32 V DC und ist über Optokoppler galvanisch getrennt. Im Dauerbetrieb benötigt das USR keine Kühlung und erreicht typischerweise mindestens 10 Mio. Schaltzyklen. Es ist damit ein anschauliches Beispiel dafür, dass sich der Wechsel vom SSR zum Hybridrelais ohne Eingriff in das bestehende Anlagen-Layout vollziehen lässt.

Selbst bei einer Schalthäufigkeit von sechs Schaltungen pro Minute, zwölf Stunden täglich und 250 Betriebstagen pro Jahr werden innerhalb von zehn Jahren nur etwa eine Million Schaltungen erreicht. Damit ist eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren sichergestellt. Tatsächlich liegt die Schalthäufigkeit in den meisten Anwendungen jedoch deutlich darunter.

Die Alternative für Verbraucher mit hohen Dauerströmen

Überall dort, wo elektronische Verbraucher mit nennenswerten Dauerströmen geschaltet werden, ist das USR-Hybridrelais die technisch überlegene und wirtschaftlich attraktivere Alternative zum Halbleiterrelais. Es vereint das verschleißfreie und sanfte Einschalten des Halbleiters mit der verlustarmen Stromführung des mechanischen Kontakts. Das Resultat: kein Kühlkörper, nahezu kein Wärmeeintrag, kleinerer Bauraum, geringere Gesamtkosten und eine deutlich höhere Lebensdauer.

Gerade in der Heiztechnik, wo SSRs heute regelmäßig zu warm werden, löst das Hybridrelais ein altes Problem auf elegante Weise. (kr)

* Manuel Beha ist Produktmanager bei FSM in Kirchzarten.

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