Ratgeber
PhotoMOS-Relais gehören zu den modernsten Halbleiterrelais für den niedrigen bis mittelhohen Strombereich. Sie verbinden die optische Signalkopplung mit den präzisen Schalteigenschaften eines MOSFETs.
In diesem Ratgeber erfahren Sie, wie sich dieses Bauteil von elektromechanischen Relais unterscheidet, wie es funktioniert und aufgebaut ist. Wir geben Ihnen außerdem Hinweise für die Beschaffung.
MOSFET ist die Abkürzung für Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. Es handelt sich somit um einen Feldeffekttransistor auf der Basis eines Metalloxid-Halbleiters. In einem PhotoMOS-Relais bringt diese Schalt-Komponente mehrere signifikante Vorteile im Vergleich zu elektromechanischen Relais, sowohl bei der Leistung als auch bei der Anwendungsbreite.
So besitzen MOSFETs im Durchlasszustand einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand, im Allgemeinen zwischen 0,2 und 35 Ohm. Dies führt zu einer geringen Verlustleistung und erhöht die Effizienz, ein wichtiger Punkt besonders bei der Steuerung von Lasten mit höherem Strom. Kommt es auch die Reaktionszeit an, sind MOSFETs elektromechanischen Typen ebenfalls weit überlegen, da sie in Millisekunden zwischen Ein- und Ausschaltzuständen wechseln können. Das beeinflusst auch die Lebensdauer: MOSFETs enthalten keine beweglichen Teile, unterliegen damit im Vergleich zu herkömmlichen Schaltern weniger Verschleiß und bieten generell eine höhere Zuverlässigkeit. Außerdem arbeiten sie vollkommen geräuschlos.
MOSFETs benötigen nur eine sehr geringe Leistung, um von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand zu wechseln. Sie lassen sich daher mit einem geringeren Steuerstrom betreiben, was wiederum die Effizienz erhöht. Und da es keine physischen Kontakte gibt, die schließen oder öffnen, gibt es bei MOSFET-basierten Schaltern keine Funkenbildung. Damit erhöht sich die Sicherheit, besonders in Umgebungen, in denen Funken eine Gefahr darstellen könnten.
Am Eingang des PhotoMOS-Relais befindet sich eine LED. Sie wird durch das Anlegen der Steuerspannung aktiviert und generiert ein optisches Signal. Gegenüber der Leuchtdiode befindet sich der Fotodetektor. Er besteht aus einem oder mehreren lichtempfindlichen Elementen, in der Regel Fotodioden. Empfangen die Dioden das von der LED emittierte Licht, erzeugen sie einen kleinen elektrischen Strom, der wiederum den MOSFET aktiviert. Er fungiert als Schalter im Ausgangskreis des Relais, schaltet also die Last ein und aus.
Zwischen der Leuchtdiode und dem Detektor befindet sich eine Isolationsbarriere aus Luft. Sie gewährleistet eine hohe elektrische Isolation zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangskreis. Diese galvanische Trennung ist entscheidend, um die sichere Isolation zwischen Steuer- und Lastkreis zu garantieren.
Sämtliche Komponenten sind in einem festen, oft hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht, das Schutz vor äußeren Einflüssen wie Staub, Feuchtigkeit und mechanischen Einwirkungen bietet. Typisch sind je nach Polzahl DIP-4, DIP-6- und DIP-8-Gehäuse, in hochkantiger Bauform auch SIL-4. In manchen Fällen können zusätzliche Komponenten wie Schutzdioden oder Widerstände integriert sein. Das schützt die LED und den MOSFET vor Schäden durch Spannungsspitzen oder übermäßigen Strom.
Schaltfunktionen
Wie jedes Relais können auch PhotoMOS-Relais Stromkreise öffnen und schließen. Dabei spielt allerdings die Normalstellung eine wesentliche Rolle, also der Schaltzustand, in dem das Relais stromlos ist. Die meisten Typen sind normal offen oder NO, es handelt sich daher um Schließer. Bei Aktivierung schließen sie den Laststromkreis. Für spezielle Anwendungen sind aber auch NC-Typen verfügbar. Sie arbeiten umgekehrt als Öffner, halten den Stromkreis auch stromlos geschlossen und öffnen diesen erst, wenn ein Signal am Steuerkreis anliegt.
Packungsgröße und Montageart
Für Projekte im Industriemaßstab gibt es PhotoMOS-Relais als sogenanntes Tape on Full Reel, als Band für Bestückungsautomaten mit meist 500 oder 2500 Bauteilen. Geringere Einheiten werden häufig in Plastikröhren angeboten, aber auch Einzelbestellungen sind möglich. Sehr wichtig ist die Montageart. Während Relais für Bestückungsautomaten in der Regel als SMD im Angebot sind, gibt es manuell zu verarbeitende Typen sowohl für die Oberflächen- als auch die Durchsteckmontage.
Ansprech- und Freigabezeit
Die Geschwindigkeit, mit der das PhotoMOS-Relais ein- und ausschaltet. Das kann für zeitkritische Anwendungen wichtig sein. Im Allgemeinen liegen die Werte für das Einschalten bei etwa 30 Millisekunden, für das Ausschalten bei weniger als einer Millisekunde. Schließer arbeiten somit deutlich langsamer als Öffner, was in der Praxis allerdings nur selten relevant ist.
Isolationsspannung
Die Isolationsspannung gibt an, wie gut das PhotoMOS-Relais Eingangs- und Ausgangskreise voneinander isolieren kann. Auszuwählen ist ein Typ mit einer Isolationsspannung, die für die geplante Anwendung geeignet ist, insbesondere wenn hohe Isolationsanforderungen bestehen. Der typische Wert für ein 4-Ampere-Relais liegt bei durchschnittlich 4000 Volt.
Schaltstrom und Schaltspannung
Die maximale Schaltstrom- und Schaltspannungskapazität sollten höher sein als die höchsten Ströme und Spannungen, die in der Anwendung erwartet werden. Gängig sind 120 Milliampere bis 4 Ampere und 60 bis 400 Volt Gleich- beziehungsweise Wechselstrom. Einige Typen können auch Lasten mit 10 und mehr Ampere schalten.
Schutzfunktionen
Einige Relais bieten integrierte Schutzfunktionen wie Überspannungsschutz oder umgekehrte Polaritätsschutz. Diese Eigenschaften können in rauen Umgebungen oder bei speziellen Anwendungen nützlich sein.
Einschaltwiderstand
Ein niedriger Einschaltwiderstand ist wünschenswert, da er zu geringeren Energieverlusten führt. Die Bandbreite liegt im Allgemeinen zwischen 0,12 und 35 Ohm.
Betriebstemperaturbereich
Der Temperaturbereich, in dem PhotoMOS-Relais zuverlässig arbeiten, ist sehr groß. Er reicht üblicherweise von minus 40 bis zu plus 85 Grad Celsius.
Worauf ist beim Verlöten dieser Relais zu achten?
Da es sich um Halbleiter-Relais handelt, spielt die Löttemperatur ebenso eine Rolle wie die Lötdauer. Die meisten Hersteller empfehlen eine Löttemperatur von maximal 260 Grad Celsius, die Lötdauer sollte nicht größer als 10 Sekunden sein.
Welches sind die typischen Anwendungsbereiche für PhotoMOS-Relais?
In der Elektronik sind sie immer dann gefragt, wenn bei Anwendungen Zuverlässigkeit, Langlebigkeit, schnelle Schaltzeiten, niedriger Steuerstrom und hohe Isolationsspannungen erforderlich sind. Deshalb werden sie oft in Präzisionsmessgeräten verwendet. In der Automatisierungstechnik, insbesondere in PLC-Systemen, schätzt man sie aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer. Das trifft auch für die Medizintechnik und die Telekommunikation zu. PhotoMOS-Relais sind zudem häufig in Sicherheitssystemen zu finden, in Bereichen also, in denen geräuschloses Schalten erforderlich ist und eine hohe Zuverlässigkeit gefordert wird.