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Ratgeber

Halbleiterrelais

Relais auf Halbleiterbasis, oft auch als Solid State Relais oder kurz SSR bezeichnet, finden sich milliardenfach beispielsweise in der Steuerungs- und Industrietechnik sowie in der Heiz- und Kühltechnik. Im Gegensatz zu konventionellen elektromechanischen Relais besitzen sie keine beweglichen Teile und sind somit deutlich länger funktionsfähig.

In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die grundlegenden Eigenschaften und Funktionen der SSRs und über Auswahlkriterien für die Beschaffung

Wie funktionieren Halbleiterrelais?
Halbleiterrelais in der Praxis
Sonstige Bauformen von Halbleiterrelais

Wie funktionieren Halbleiterrelais?

Ein Solid State Relais ist ein elektronisches Schaltgerät, das ein- oder ausschaltet, wenn eine externe Wechsel- oder Gleichspannung über seine Steuerklemmen angelegt wird. SSRs bestehen aus einem Sensor, der auf ein entsprechendes Eingangssignal reagiert, einem elektronischen Halbleiterschalter, der den Strom zum Lastkreis schaltet, und einem Kopplungsmechanismus, der diesen Schalter ohne die Hilfe mechanischer Teile aktiviert. Das Relais kann so ausgelegt sein, dass es entweder Wechsel- oder Gleichstromlasten schaltet. Es erfüllt daher die gleiche Funktion wie ein elektromechanisches Relais, einschließlich der drei grundlegenden Schaltungsarten Öffnen, Schließen und Wechseln.

Ganz wesentlich für die Funktion eines rein elektronischen Relais sind drei Bauelemente, die in einem Halbleiterrelais integriert sind und die wir hier kurz vorstellen, und zwar den Thyristor, die TRIAC und den MOSFET.

Ein Thyristor ist ein Halbleiterbauelement mit vier Schichten aus abwechselnden P- und N-Materialien, der oft auch als SCR bezeichnet wird. SCR ist die Abkürzung für Silicon Controlled Rectifier, zu Deutsch etwa gesteuerter Silizium-Gleichrichter. Er fungiert ausschließlich als bistabiler Schalter, leitet beim Anlegen einer Spannung am Gate und hält die Leitung aufrecht, bis sich die Spannung umgekehrt oder ganz entfernt wird.

Es existieren zwei Ausführungen von Thyristoren: Bei einem Thyristor mit drei Anschlüssen steuert ein kleiner Strom an der Gate-Leitung den größeren Strom des Pfads von der Anode zur Kathode. Bei einem Zweileiter-Thyristor dagegen beginnt der leitende Zustand erst, wenn die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode selbst ausreichend groß ist. Man spricht hier auch von der Durchbruchspannung.
Eine TRIAC – die Abkürzung steht für Triode für Wechselstrom – ist ein elektronisches Bauteil mit drei Anschlüssen, das bei Ansteuerung Strom in beide Richtungen leitet. TRIACs sind eine Untergruppe der Thyristoren beziehungsweise SCRs und mit ihnen verwandt. Sie unterscheiden sich von SCRs dadurch, dass sie einen Stromfluss in beide Richtungen erlauben, während ein SCR nur in eine Richtung Strom leiten kann. Die meisten TRIACs lassen sich durch Anlegen einer positiven oder negativen Spannung an das Gate triggern. Einmal getriggert, leiten sie wie SCRs auch ohne Gatestrom weiter, bis der Hauptstrom unter einen bestimmten Wert, den Haltestrom, fällt.

Die Bidirektionalität von TRIACs macht sie zu praktischen Schaltern für Wechselstrom. Darüber hinaus ermöglicht das Anlegen eines Triggers bei einem kontrollierten Phasenwinkel des Wechselstroms im Hauptstromkreis die Steuerung des durchschnittlichen Stroms, der in eine Last fließt. Dies wird häufig zur Steuerung der Drehzahl eines Universalmotors, zum Dimmen von Lampen und zur Steuerung von elektrischen Heizungen verwendet. TRIACs sind bipolare Geräte.
Die Abkürzung MOSFET steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Es handelt sich dabei um eine Art von Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, der durch die kontrollierte Oxidation eines Halbleiters, typischerweise Silizium, hergestellt wird.

Die Spannung des abgedeckten Gates bestimmt die elektrische Leitfähigkeit des Bauelements. Diese Fähigkeit, die Leitfähigkeit mit der Höhe der angelegten Spannung zu ändern, kann zur Verstärkung oder zum Schalten elektronischer Signale genutzt werden.

Halbleiterrelais in der Praxis

Ein Relais, das auf einem einzelnen MOSFET oder mehreren MOSFETs in einer parallelen Anordnung basiert, eignet sich sehr gut für das Schalten von Gleichstromlasten. Für den bidirektionalen Wechselstrombetrieb werden zwei MOSFETs Rücken an Rücken angeordnet, wobei ihre Source-Pins miteinander verbunden sind. Ihre Drain-Pins sind mit beiden Seiten des Ausgangs verbunden. Die Substratdioden sind abwechselnd in Sperrichtung vorgespannt, um den Strom zu sperren, wenn das Relais ausgeschaltet ist. Beim Einschalten liegt die gemeinsame Source immer auf dem momentanen Signalpegel, beide Gates sind zudem durch Dioden relativ zur Source positiv vorgespannt.
In Wechselstromschaltungen schalten SCR- oder TRIAC-Relais beim Nullpunktdurchgang des Laststroms ab. Der Stromkreis wird allerdings niemals in der Mitte einer Sinuswellenspitze unterbrochen. Das verhindert die großen transienten Spannungen, die sonst aufgrund des plötzlichen Zusammenbruchs des Magnetfelds um die Induktivität auftreten würden. Mit dem Zusatz eines Nullpunktdetektors lassen sich die einzelnen SCRs zu Beginn einer neuen Welle wieder einschalten. Diese Funktion wird als Nulldurchgangsschaltung bezeichnet.

Sonstige Bauformen von Solid State Relais

Das Prinzip jedes Relais ist die Trennung des Steuerstroms vom Laststrom. In elektromechanischen Relais übernimmt das der Anker der Magnetspule, der elektrisch isoliert einen Kontakt auf der Lastseite öffnet oder schließt und damit eine galvanische Trennung der beiden Stromkreise garantiert. Solid State Relais überlassen die Trennung dagegen Halbleitersperren in Thyristoren und Transistoren. Ist eine „echte“ galvanische Trennung notwendig und soll es dennoch ein Halbleiterrelais sein, kommen Relais mit optischem Koppler in Spiel. Diese unter der Bezeichnung Optokoppler oder PhotoMOS-Relais erhältlichen Solid State Relais nutzen zur Kopplung von Steuer- und Lastkreis eine Lichtbrücke ähnlich einer Lichtschranke.

Optokoppler beziehungsweise PhotoMOS-Relais verfügen dazu auf der Steuerseite über eine Lichtquelle, in der Regel eine LED im nahen Infrarotbereich. Sie wandelt das elektrische Eingangssignal in Licht um. Gegenüber der LED befindet sich ein Fotosensor, der das einfallende Licht erkennt und über nachgeschaltete Bauelemente wie MOSFETS den Schaltvorgang auf der Lastseite initiiert.