Inhaltsverzeichnis
1. Vorteile der Solid-State-Relaistechnik
2. Grundlagen der Solid-State-Relaistechnik
3. Steuer- und Lastseite
Mechanische Relais werden aufgrund ihrer Eigenschaften wie potenzialfreies Schalten, sichere galvanische Trennung oder geringe Übergangswiderstände geschätzt. Trotz dieser Stärken zeichnen sie sich durch Eigenschaften aus, die die Lebensdauer beeinträchtigen können. Beim Schalten eines Relais kommt es beispielsweise zum so genannten Kontaktprellen. Dadurch entstehen in Abhängigkeit von der zu schaltenden Last Spannungsspitzen, die Störabstrahlungen im HF-Bereich verursachen und über die Einkopplung in Leitungen andere Geräte im Umfeld stören können.
Weitaus gravierender sind jedoch die Auswirkungen der Abschaltfunken bei induktiven Lasten. Diese führen zum kontinuierlichen Verdampfen und damit zum Verschleiß oder zur Zerstörung der Kontaktmaterialien. Bei Halbleiterschaltern wie Thyristoren, Triacs oder Transistoren treten diese Effekte in den Hintergrund. Nachteilig wirkt sich bei Halbleiterschaltern jedoch die Durchlass-Spannung von 0,85 bis 1,4 V aus. Höhere Schaltströme erfordern deshalb aufgrund der entstehenden Verlustleistung eine Kühlung.
Bild: Phoenix Contact
Vorteile der Solid-State-Relaistechnik
Power-Solid-State-Relais bieten mehrere Vorteile. Sie schalten über eine lange Lebensdauer hinweg hoch zuverlässig, sind kompakt dimensioniert und verfügen über geringe Ansteuerleistungen sowie kurze Ansprechzeiten. Sie verursachen keine Geräusche und schalten Lasten prellfrei. Unempfindlich gegenüber Schock und Vibrationen beeinflussen bzw. stören sie benachbarte Baugruppen während des Schaltvorgangs durch elektromagnetische Felder oder Schaltfunken nicht. Im Fall eines galvanisch getrennten Relais wird beim Schaltvorgang aus dem Steuerkreis heraus der Optokoppler angesteuert, der für die galvanische Trennung zum Laststromkreis sorgt.
Der Optokopplerausgang steuert die Leistungshalbleiter im Laststromkreis an. Eine integrierte Schutzbeschaltung aus Varistoren und RC-Kombination schützt die Laststromkreise vor Überspannungen. In vielen industriellen Applikation reicht die Schaltleistung elektromagnetischer Relais nicht aus, um Lasten zuverlässig auch über viele Jahre zu schalten. Halbleiter-Relais sind hier besonders prädestiniert für das häufige Schalten hoher ohmscher Lasten und wenn ihre interne Verlustleistung in der Anwendung vernachlässigt werden kann. Einphasige Halbleiter-Relais kommen etwa beim Takten einer Heizung zum Einsatz, um die Heizleistung zu regeln. Im Vergleich zu elektromechanischen Elementen verschleißen sie nicht, das heißt ihre Lebensdauer ist quasi unbegrenzt.
Grundlagen der Solid-State-Relaistechnik
Als Schnittstellen-Baustein für die Anpassung zwischen Prozessperipherie und Steuer-, Melde- und Regeleinrichtung stellt Phoenix Contact Solid-State-Relais für verschiedene Spannungs- und Leistungsebenen zur Verfügung. Das eigentliche im Modul befindliche Solid-State-Relais-Element ist bauartbedingt auf einen begrenzten Spannungsbereich festgelegt. Die eingangsseitige Stromaufnahme schwankt je nach Schaltungsaufbau und Spannungsebene. Um sämtliche für industrielle Anwendungen benötigten Spannungen zwischen 5 und 230 V zu realisieren, ist eine geeignete Eingangsschaltung vorgesehen. Hierbei muss grundsätzlich zwischen einem Eingang für Gleich- und Wechselspannung unterschieden werden.
Die Anpassung an verschiedene Spannungsebenen erfolgt durch Ergänzen einer speziell auf den gewünschten Spannungsbereich abgestimmten Elektronik. Bei den meisten Modulen sorgt eine Verpolschutzdiode dafür, dass bei falsch angeschlossener Steuerspannung ein sicherer Schutz gegen Zerstörung gewährleistet ist. Speziell abgestimmte Filter sorgen für eine zuverlässige Unterdrückung eventuell auftretender hochfrequenter Störimpulse.
Als Voraussetzung für eine sichere Funktion benötigt das Solid-State-Relais-Element eine stabile Steuerspannung. Beim AC-Eingang wird dies durch das Vorschalten eines Gleichrichters und Glättungskondensators erreicht. Nach der Gleichrichtung folgt prinzipiell der Schaltungsaufbau des DC-Eingangs. Die Schaltfrequenz liegt grundsätzlich unterhalb der halben Netzfrequenz. Eine höhere Schaltfrequenz kann, bedingt durch den Glättungskondensator, nicht erreicht werden. Ein ständiges Durchschalten wäre die Folge.
Der Kontaktwerkstoff macht bei Schaltgeräten den Unterschied
Steuer- und Lastseite
Je nach Anwendungsfall und Last werden unterschiedliche Anforderungen an den Solid-State-Relais-Ausgang gestellt. Entscheidend sind hier die Leistungsverstärkung, die Anpassung an Schaltspannung und Schaltstrom (AC/DC) und der Kurzschluss-Schutz. Für diese verschiedenen Einsatzfälle muss das Solid-State-Relais-Element auch ausgangsseitig mit einer weiteren Elektronik aufbereitet werden. Um die erforderliche Ausgangsleistung an einem DC-Ausgang zu erreichen, wird das Halbleiter-Relais durch eine oder mehrere Halbleiterstufen ergänzt. Für den Anwender vor Ort sind die Anschlussklemmen des Ausgangs trotzdem lediglich wie konventionelle Schalteranschlüsse zu betrachten. Lediglich die vorgegebene Polarität muss unbedingt eingehalten werden. Bei der Auswahl des geeigneten Solid-State-Relais hat die Praxis gezeigt, dass nach folgenden Kriterien vorzugehen ist:
- Betriebsspannungsbereich (z. B. 12 … 60 VDC): Angabe der minimal bzw. maximal zu schaltenden Spannung. Die Einhaltung des unteren Wertes ist für eine sichere Funktion erforderlich. Der obere Wert darf zum Schutz des Ausgangstransistors nicht überschritten werden.
- Maximaler Dauerstrom (z. B. 1 A): Dieser Wert gibt den maximalen Dauerstrom an. Eine ständige Überschreitung dieses Wertes führt zu einer Zerstörung des Ausgangshalbleiters. Zu beachten ist auch die Abhängigkeit des Ausgangsstromes von der Umgebungstemperatur des Solid-State-Relais. Daher ist bei Leistungs-Solid-State-Relais generell eine Derating-Kurve angegeben. Sie zeigt den maximalen Laststrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
- Ausgangsschaltung: Der 2-Leiter-Ausgang ist einem mechanischen Kontakt gleichzusetzen. Lediglich die Polarität der Anschlüsse ist vorgegeben und muss berücksichtigt werden.
Bild: Phoenix Contact
Der 3-Leiter-Ausgang ist potenzialgebunden und benötigt für eine sichere Funktion den Anschluss beider Potenziale der ausgangsseitigen Spannungsquelle. Im ausgeschalteten Zustand ist ein fester Bezug zur Masse (Minuspotenzial) hergestellt. Außerdem bietet diese Ausgangsschaltung den Vorteil eines nahezu konstanten Innenwiderstandes. Für die Ansteuerung von Wechselspannungsschalt- und -steuergeräten wird dem Solid-State-Relais-Element ein Halbleiter für Wechselspannung (Triac oder Thyristor) nachgeschaltet. Wie beim DC-Ausgang sind auch hier der maximale Betriebsspannungsbereich und der maximale Dauerlaststrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur besonders zu beachten.
Zusätzlich ist bei AC-Ausgängen die maximale Spitzensperrspannung des Triacs (z. B. 600 V) entscheidend. Sie darf zum Schutz gegen Zerstörung auch bei Spannungsschwankungen oder Störspannungsspitzen nicht überschritten werden. Die AC-Ausgänge sämtlicher Phoenix-Contact-Solid-State-Relais sind daher mit einer internen RC-Schutzbeschaltung gegen Störspannungsspitzen geschützt.
Beim Schalten von induktiven Verbrauchern (Schütze, Magnetventile, Motoren) treten im Abschaltaugenblick Überspannungen auf, die sehr hohe Amplituden erreichen können. Hiergegen sind elektronische Bau- und Schaltelemente besonders empfindlich. Zum Schutz gegen Zerstörung muss deshalb generell eine Schutzbeschaltung vorgesehen werden. Durch Parallelschaltung zur Last wird so eine wirksame Reduzierung der Abschaltüberspannung auf ein ungefährliches Maß erreicht.
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