Trotz des Nutzens von Halbleiterrelais sind moderne elektromechanische Relais durchaus auch eine Betrachtung wert

Sie möchten also mit der Ausarbeitung der Systemblöcke für Ihr aktuelles Projekt beginnen, bei dem neben anderen Anforderungen eine niedrige Gleichspannung einige Stromschienen ein- und ausschalten soll. Kein Problem: Sie notieren sich die Steuersignalspannung und den Strom zusammen mit den Spezifikationen der zu schaltenden Last (erneut Spannung und Strom) und wählen ein geeignetes Halbleiterrelais (SSR, Solid-State-Relais) aus.

Doch schon bald werden die Dinge kompliziert. Dasselbe DC-Signal mit niedrigem Signalpegel muss gleichzeitig eine AC-Leitung aus- und eine andere einschalten. Außerdem muss sie eine 48VDC-Leitung schalten. Die Anzahl an Halbleiterrelais auf der Stückliste wächst und ihre zuverlässige Ansteuerung gerät zu einer Herausforderung.

Plötzlich kommt ein erfahrener älterer Entwickler vorbei und sagt: „Vermutlich hast du es nie in Erwägung gezogen, aber vielleicht könnten alle deine Probleme durch ein einziges elektromechanisches Relais (EMR) mit einem Schlag gelöst werden.“ Nun, er hat mit seiner Vermutung absolut recht. Aber die Verwendung eines elektromechanischen Relais hört sich einfach veraltet an, wenn nicht sogar archaisch.

Denken Sie noch einmal darüber nach. Trotz der vielen bekannten und beeindruckenden Eigenschaften von Halbleiterrelais (die hier nicht alle aufgezählt werden müssen) werden nach wie vor mehrere Millionen elektromechanische Relais pro Jahr verkauft. Während manche einfach als Ersatzteile verwendet werden, kommt ein großer Teil davon in völlig neuen Designs zum Einsatz.

Warum sollte sich ein Entwickler für eine elektromechanische Komponente mit all den Problemen entscheiden, die sie vermutlich mit sich bringt, wenn zu einem vergleichbaren Preis eine Halbleiterlösung erhältlich ist? Der Grund ist folgender: Während das elektromechanische Relais von der Funktionsweise her einem Halbleiterrelais im weitesten Sinne gleicht, bietet es im Vergleich dazu zahlreiche einzigartige Merkmale und Eigenschaften.

Wie bei einem Halbleiterrelais sind die Relaisspule und ihre Kontakte durch einen Widerstandspfad im extrem hohen Megaohm-Bereich elektrisch (galvanisch) voneinander isoliert. Das elektromechanische Relais kann jedoch viele Funktionen übernehmen, für die ein Halbleiterrelais nicht geeignet ist. Das elektromechanische Relais bietet unter anderem folgende besonderen Eigenschaften:

  • Der Relaiskontakt stellt einen einfachen Schalter dar, der unabhängig von der Spulenansteuerung sowohl für Wechselstrom als auch für Gleichstrom geeignet ist. Der Kontaktwiderstand liegt im Milliohm-Bereich, sodass der Spannungsabfall an den Kontakten annähernd Null ist. Der Widerstand bei geöffnetem Kontakt ist hingegen ein Luftspalt und liegt daher im hohen Megaohm-Bereich.
  • Das elektromechanische Relais ist eine vollständig passive Komponente ohne aktive Komponenten wie eine LED oder einen Fototransistor. Dieser Umstand wirkt sich auf seine Robustheit und Zuverlässigkeit aus. Es ist elektrisch und mechanisch robust (teilweise aufgrund seiner mechanischen und thermischen Masse) und widerstandsfähig gegenüber Spannungs- und Stromspitzen, Transienten und EMI, wodurch ein Halbleiterrelais kurzzeitig ausgelöst oder sogar beschädigt werden kann. Die meisten elektromechanischen Relais sind für Millionen von Betriebszyklen geeignet, während es beim gekapselten Reed-Relais (ein bestimmter Typ von elektromechanischen Relais) sogar mehrere zehn Millionen sind.
  • Trotz des Metallrahmens der meisten Relais sind weder die Spule noch die Kontakte geerdet oder mit der Masse des Schaltkreises verbunden, sodass das Relais an einer beliebigen Stelle in einem Schaltkreis platziert werden kann. Bei einem Halbleiterrelais kann das aufgrund seiner aktiven Natur bei manchen Schaltkreistopologien schwierig sein.
  • Während einfache Relaiskontakte im Ruhezustand geöffnet sind (Schließer, NO, Normally Open), gibt es auch Standardrelais mit Kontakten, die im Ruhezustand geschlossen sind (Öffner, NC, Normally Closed). Außerdem gibt es zahlreiche Relais, die kombinierte NO/NC-Kontaktpaare verwenden und für die somit beides gilt.
  • Beim Relais kann es sich um eine mehrpolige Komponente mit mehreren NO- oder NC-Kontaktpaaren handeln. Zur Verfügung stehen drei, vier oder sogar noch mehr unabhängige NO- und NC-Kontakte, wobei die DPDT-Konfiguration die am weitesten verbreitete ist (Abbildung 1). Noch mehr Flexibilität ergibt sich dadurch, dass alle diese Kontakte verschiedene Lasten hinsichtlich Typ und Größe aufweisen können, was ein weiterer Vorteil ist. Manche Kontakte können für Signale mit niedrigem Pegel ausgelegt sein, andere für solche mit hohem Signalpegel.

Abbildung 1: Diese Abbildung zeigt einige der zahlreichen Kontaktkonfigurationen für elektromechanische Relais (einige treffen auch auf Halbleiterrelais zu) mit dem Branchenstandard entsprechenden Bezeichnungen. (Bildquelle: Wikipedia)

Das AGQ200A4HX von Panasonic Electric Works etwa ist ein elektromechanisches Relais zur Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte. Obwohl es speziell für Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurde, spricht nichts dagegen, es auch anderweitig zu verwenden. Seine DPDT-Kontakte (in der industriellen Fachterminologie mit 2-Form-C-Anordnung bezeichnet) sind unabhängig voneinander auf 2 Ampere (A) und 125 Volt AC oder 110 Volt DC ausgelegt, wohingegen die Spule lediglich 4,5 Volt DC bei 31 Milliampere (mA) benötigt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Relais AGQ200A4HX SMT von Panasonic ist ein typisches Niederspannungs-Gleichstromrelais mit DPDT-Kontakten, von denen jeder entweder 125 Volt AC oder 110 Volt DC bei 2 A schalten kann. Sowohl AC- als auch DC-Lasten können von der Einheit gleichzeitig verarbeitet werden. (Bildquelle: Panasonic Electric Works)

  • Relais können für Spulenströme von gerade einmal 10 oder 20 mA oder Ströme im zweistelligen Ampere-Bereich konzipiert werden, wobei die Kontakte auf lediglich wenige zehn mA und wenige Volt bis hin zu Werten ausgelegt sein können, die mehrere Größenordnungen darüber liegen.
  • Kontakte von elektromechanischen Relais sind signalunabhängig. Solange man die Maximalwerte für Spannung und Strom nicht überschreitet, spielt es keine Rolle, ob es sich um ein Stromsignal, ein Datensignal oder eine Mischung über mehrere Kontakte handelt. Des Weiteren muss die Last nicht bekannt oder definiert sein. Sie muss lediglich innerhalb der für das Design vorgegebenen Grenzen liegen. Dieser Aspekt ist hilfreich, wenn die Last unsichere oder schwer zu kontrollierende Eigenschaften aufweist.
  • Der häufigste Grund für das Versagen eines elektromechanischen Relais ist mit großem Abstand der, dass die Spule nicht erregt wird. Das kann dazu führen, dass ein NO-Kontakt nicht geöffnet oder ein NC-Kontakt nicht geschlossen werden kann. Je nachdem, was davon bevorzugt oder erforderlich ist, kann dies ein Sicherheitsproblem für die Anwendung darstellen. Im Gegensatz dazu versagen Halbleiterrelais in der Regel mit einem Kurzschluss am Ausgang, was unter Umständen nicht akzeptabel ist.
  • Es gibt elektromechanische Standardrelais, die als selbsthaltende Relais bezeichnet werden. Diese Relais behalten die Kontaktposition im erregten Zustand selbst dann bei, wenn die Spule nicht mehr mit Strom versorgt wird (durch eine separate Spule und ein entsprechendes Signal wird der Kontakt gelöst). Dies kann in manchen Situationen eine praktische und in anderen aus Sicherheitsgründen eine unerlässliche Funktion sein.
  • Die Fehlerbehebung bei diesem Relais ist kinderleicht. Man benötigt lediglich ein Ohmmeter, um die Kontinuität der stromlosen Spule und den DC-Widerstand zu messen, sowie eine einfache Wechsel- oder Gleichstromquelle, um die Spule zu erregen.
  • Schließlich – und das ist für manche Entwickler ein persönlicher Faktor – gibt es noch das befriedigende „Klicken“ des elektromechanischen Relais, das zu hören ist, wenn das Relais anzieht oder abfällt. Manche Entwickler (mich eingeschlossen) lieben es, dieses Klickgeräusch zu hören und es sogar zur Überwachung der Systemaktivität zu nutzen.

Wenn Sie also das nächste Mal vor einer Herausforderung im Zusammenhang mit einem Halbleiterrelais stehen, gehen Sie nicht sofort davon aus, dass Sie mehr oder andere Halbleiterrelais benötigen. Moderne Versionen des altehrwürdigen elektromechanischen Relais – das bereits seit etwa 150 Jahren existiert und inzwischen umfassend verbessert wurde – könnten mit durchaus akzeptablen Kompromissen eventuell die Lösung für Ihre Probleme sein.

Über den Autor

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Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

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