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Ein SSR (Solid State Relay) ist ein elektronisches Schaltgerät, das die Funktionen eines herkömmlichen elektromagnetischen Relais übernimmt, jedoch Halbleiterkomponenten wie Transistoren oder Triacs anstelle eines mechanischen Kontaktsystems verwendet.
SSR-Relais - Funktionsweise
SSRs sind Relais, die Halbleiterschaltelemente verwenden. Die optischen Leiter, die sie verwenden, werden manchmal als Fotokoppler bezeichnet und dienen zur Trennung der Eingangs- und Ausgangssignale. Fotokoppler wandeln elektrische Signale in optische Signale um und übertragen die Signale in den Raum. Sie isolieren den Eingangs- und den Ausgangsbereich vollständig, während die Signale mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden. Außerdem bestehen SSR-Relais aus elektronischen Bauteilen ohne mechanische Kontakte, daher die Ähnlichkeit der SSR mit mechanischen Relais. Das wichtigste Merkmal der SSR-Relais ist jedoch, dass sie keine Schaltkontakte verwenden, die einem physischen Verschleiß unterliegen.
SSR-Relais und ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Relais
Betrachten wir das Thema am Beispiel der Opposition. Im Gegensatz zu elektromechanischen Relais (EMR), die mit Spulen, Magnetfeldern, Federn und mechanischen Kontakten arbeiten und Strom schalten, hat das Solid-State-Relais (SSR ) keine beweglichen Teile, sondern nutzt die elektrischen und optischen Eigenschaften von Halbleitern, um Isolations- und Schaltfunktionen zwischen Eingang und Ausgang auszuführen. Wie herkömmliche elektromechanische Relais bieten SSRs jedoch eine vollständige galvanische Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangskontakten, und ihr Ausgang funktioniert wie ein herkömmlicher elektrischer Schalter. Das liegt daran, dass er einen sehr hohen, fast unendlichen Widerstand hat, wenn er nicht leitet (offen), und einen sehr niedrigen Widerstand, wenn er leitet (geschlossen). Halbleiterrelais können so konstruiert werden, dass sie sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom schalten können, indem sie einen SCR-, TRIAC- oder Schalttransistorausgang anstelle der üblichen mechanischen Schließerkontakte verwenden.
Während ein Halbleiterrelais und ein elektromechanisches Relais sich im Wesentlichen darin ähneln, dass ihr Niederspannungseingang vom Ausgang, der die Last schaltet und steuert, elektrisch isoliert ist, haben elektromechanische Relais einige wichtige Einschränkungen. Dies ist in der Regel die verkürzte Lebensdauer von Kontakten, die Tatsache, dass sie viel Platz beanspruchen und langsamere Schaltgeschwindigkeiten haben (insbesondere große Leistungsrelais). SSR-Solid-State-Relais haben solche Einschränkungen nicht.
Solid-State-Relais haben gegenüber herkömmlichen elektromechanischen Relais den Vorteil, dass sie keine beweglichen Teile haben, die einfach verschleißen können, und daher keine Probleme mit Kontaktprellen haben. Sie sind in der Lage, sowohl EIN als auch AUS zu schalten, und zwar viel schneller als eine mechanische Relaisbrücke, und die Nullspannung im EIN-Zustand und der Nullstrom im AUS-Zustand verhindern elektrisches Rauschen und Transienten.
SSR-Relaistypen
Der führende japanische Elektronikmarktriese OMRON schlägt die folgende Aufschlüsselung der SSR-Relais vor:
- SSR-Relais mit integrierten Kühlkörpern. Der integrierte Kühlkörper sorgt für ein kompaktes Design. Diese Relais werden hauptsächlich in Schalttafeln eingebaut.
- SSR-Relais mit separaten Kühlkörpern. Dank der separaten Kühlkörperinstallation können die Benutzer Kühlkörper auswählen, die zu den Gehäusen der von ihnen verwendeten Geräte passen.
- SSR-Relais in Steckform. Diese Relais haben die gleiche Form wie Steckrelais und können mit den gleichen Sockeln verwendet werden. Am häufigsten sind sie in Schalttafeln, programmierbaren Steuerungen und ähnlichen Geräten zu finden.
- PCB-montierte SSR-Relais (Leiterplatte). Dies ist ein SSR mit einer Klemmenstruktur für die Leiterplattenmontage. Die Produktlinie umfasst auch MOSFET-Relais, die hauptsächlich zum Schalten von Signalen und Verbindungen verwendet werden.
Betriebsarten von SSR-Relais
- Die EIN/AUS-Steuerung ist eine Form der Steuerung, bei der das Heizgerät in Abhängigkeit von den Spannungsausgangssignalen des Temperaturreglers ein- und ausgeschaltet wird. Die gleiche Art der Steuerung ist auch mit einem elektromagnetischen Relais möglich, aber ein SSR-Relais sollte zur Steuerung des Heizgeräts verwendet werden, wenn es über einen Zeitraum von mehreren Jahren in Abständen von einigen Sekunden ein- und ausgeschaltet wird.
- Phasensteuerung (einphasig). Bei der Phasensteuerung wird der Ausgang in jedem Halbzyklus in Abhängigkeit von den aktuellen Ausgangssignalen des Temperaturreglers geändert. Diese Form der Steuerung ermöglicht eine hochpräzise Temperaturregelung, weshalb sie in Halbleitergeräten nach wie vor weit verbreitet ist.
- Zykluskontrolle – bei der zyklischen Steuerung wird die Ausgangsspannung mit einer konstanten Frequenz ein- und ausgeschaltet. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom des Temperaturreglers.
- Für die optimale Zyklussteuerung wird die Nulldurchgangssteuerung (zero cross) verwendet, die den EIN/AUS-Zustand in jeder Zyklushälfte bestimmt. Bei der konventionellen Regelung bleibt der Ausgang für eine bestimmte Zeitdauer kontinuierlich eingeschaltet, während bei der optimalen Regelung der EIN/AUS-Zustand in jedem Zyklus neu bestimmt wird, um die Genauigkeit des Ausgangs zu verbessern.
Beispiele für Anwendungen von SSR-Relais
Es ist nicht verwunderlich, dass SSR-Relais in vielen elektrischen und elektronischen Schaltungen eingesetzt werden, da wir nun die Gründe für ihre Leistung in verschiedenen Situationen kennen. Ein Halbleiterrelais wird zur Steuerung von Schaltkreisen mit Wechsel- oder Gleichstromsignalen verwendet , indem der Laststrom ein- oder ausgeschaltet wird. Bei der Last kann es sich um fast alles handeln, von einer Glühbirne mit geringer Leistung bis hin zu einem elektrischen Heizgerät mit viel höherer Wattzahl, da die Verwendung von Halbleiterrelaismodulen (SSR) es ermöglicht, mit kleinen Eingängen viel größere Ausgangssignale zu steuern.
Eine der häufigsten Anwendungen für Halbleiterrelais ist die Motorsteuerung, da Halbleiterrelais sowohl zur Steuerung von Wechsel- als auch von Gleichstrommotoren verwendet werden können, von kleinen Motoren in Haushaltsgeräten bis hin zu großen Industriemotoren. Zu den Anwendungen für Solid-State-Relais gehören auch das Schalten von Lasten wie Glühbirnen und LED-Arrays. Bei diesen Anwendungen bieten diese Relais den Vorteil der Schaltgeschwindigkeit, die manchmal besonders wichtig ist, um Lichteffekte zu erzielen. Heiz- und Kühlsysteme wie Klimaanlagen, Elektroöfen und Industrieheizungen profitieren ebenfalls von ihnen – auch hier sind sie in der Lage, hohe Spannungen zu bewältigen und dennoch kompakt zu sein. Sie sind in der Automobilbranche zu finden, wo sie ältere, mechanische Relais in Motormanagementsystemen, Scheinwerferabblendschaltungen oder Nebelscheinwerfersteuerungen ersetzen. In Verbindung mit der CNC-Technik werden sie in einer Vielzahl von Industriezweigen und von Hobbybastlern eingesetzt – unter anderem in der Holz-, Metall- und Kunststoffbearbeitung. Noch speziellere Anwendungen für Halbleiterrelais sind medizinische Geräte, die aufgrund ihrer Beschaffenheit spezielle Steuersysteme zum Ein- und Ausschalten der Stromversorgung erfordern.
Auswahl des SSR-Relais
Es gibt einige allgemeine Richtlinien, die zu beachten sind. Ermitteln Sie die Strom- und Spannungsanforderungen der Last. Prüfen Sie, welche Höchstwerte im Stromkreis vorhanden sind, und wählen Sie dann ein SSR-Relais mit geeigneten Strom- und Spannungsparametern aus. Vergewissern Sie sich, dass das SSR-Relais für die in Ihrer Anwendung auftretenden Höchstwerte geeignet ist. Bestimmen Sie, welche Art der Steuerung für Ihre Anlage bevorzugt oder erforderlich ist. Spannungsgesteuerte SSR-Relais sind am weitesten verbreitet, aber in manchen Fällen kann eine Stromsteuerung sinnvoller sein.
SSR-Relais bieten außerdem eine galvanische Trennung zwischen dem Steuereingang und dem Lastausgang. Diese Isolierung ist in vielen Anwendungen wichtig, insbesondere dort, wo Potenzialunterschiede bestehen oder Schaltungen mit unterschiedlichen Spannungen isoliert werden müssen.
SSR-Relais haben eine bestimmte Reaktionszeit, d. h. die Zeit, die das Relais benötigt, um vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand zu wechseln oder umgekehrt – wenn Sie in Ihrer Anwendung eine schnelle Reaktion benötigen, stellen Sie sicher, dass das von Ihnen gewählte SSR-Relais eine ausreichend schnelle Reaktionszeit hat. Zusätzlich zu den Installationsempfehlungen des Herstellers sind Umgebungsfaktoren zu berücksichtigen, die in der Spezifikation möglicherweise nicht vorgesehen sind. Wenn das Gerät in rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen oder aggressiven Chemikalien betrieben werden soll, muss sichergestellt werden, dass das ausgewählte SSR-Relais diesen Faktoren standhält.
