Elektromechanisches und Halbleiterrelais Symbiotische Verbindung

Die Technik hat schon immer davon profitiert, sich Anleihen aus der Natur zu nehmen. Ein Beispiel dafür ist die Symbiose, bei der sich unterschiedliche Partner zum beiderseitigen Nutzen zusammentun. Und so können auch elektromechanische Relais und Halbleiterrelais voneinander profitieren.

Gemäß Duden beschreibt das Wort »Symbiose« im biologischen Sinn das Zusammenleben von Lebewesen unterschiedlicher Art zum gegenseitigen Nutzen. So leben Putzerfische gemeinsam mit Haien. Sie befreien die größeren Raubfische von Außenparasiten, Hautverunreinigungen sowie abgestorbenen Hautteilen und ernähren sich auf diese Weise. Die Haie wiederum, die dafür die hilfreichen Putzerfische nicht fressen, bleiben im Gegenzug sauber, was ihre Gesundheit fördert. In ähnlicher Form profitieren elektromechanische Relais und Halbleiterrelais (Solid-State-Relais) voneinander, wenn sie geschickt miteinander verschaltet sind. 

Elektromechanische Relais bieten als wesentliche Vorteile gegenüber Halbleiterrelais eine galvanische Trennung im Ausgangskreis, niedrige Kontaktwiderstände, die ausgangsseitig für eine geringe Verlustleistung sorgen, eine temporäre Überlastfähigkeit des Ausgangskreises sowie nicht zuletzt relativ niedrige Anschaffungskosten.

Doch elektromechanische Relais haben auch einige Nachteile. Im direkten Vergleich mit Halbleiterrelais zählen dazu neben den erheblich längeren Schaltzeiten, die im Millisekundenbereich liegen, ebenso die höhere Schock- und Vibrationsempfindlichkeit. Der zentrale Schwachpunkt elektromechanischer Relais besteht jedoch in der begrenzten Lebensdauer. Typischerweise wird dieser Zeitraum in einer mechanischen und einer elektrischen Lebensdauer in Schaltspielen angegeben. Die mechanische Lebensdauer beschreibt die maximale Anzahl der Schaltzyklen, ohne dabei einen Strom oder eine Spannung zu schalten. Für die mechanische Lebensdauer erweist sich die konstruktive Auslegung des Relais als maßgebend. Im Gegensatz dazu definiert sich die elektrische Lebensdauer eines elektromechanischen Relais im Wesentlichen durch die Schaltfrequenz und die zu schaltende Last. Beim Öffnen der Relaiskontakte entsteht ein Lichtbogen, wodurch Kontaktmaterial quasi »verbrannt« wird. Ein solcher Kontaktabbrand führt letztendlich zum Ausfall des Relais. Als Fehlerbild sind entweder nicht mehr schließende oder nicht mehr öffnende Kontakte möglich.

Weil die Schaltlasten im industriellen Umfeld sehr unterschiedlich sein können, lassen sich nur dann zuverlässige Angaben zur Lebensdauer des jeweiligen Relais machen, wenn die genauen Parameter der zu schaltenden Anwendung bekannt sind. Einen erheblichen Einfluss auf diesen Wert haben die Lastspannung, der Laststrom und die Art der Last – also kapazitiv, induktiv oder ohmsch. Eine etwaige Schutzbeschaltung der Last, häufig mit einer Freilaufdiode realisiert, wirkt sich ebenfalls in hohem Maße auf die elek-trische Lebensdauer aus. Durch die große Spanne an verschiedenen möglichen Lasten ergibt sich eine ebensolche Bandbreite hinsichtlich der elektrischen Lebensdauer. Die Einsatzzeit elektromechanischer Relais kann daher zwischen einigen tausend und mehreren Millionen Schaltspielen liegen.

Auf den ersten Blick bilden Halbleiterrelais das perfekte Gegenstück zu ihren elektromechanischen Verwandten, da der Vorteil des einen gleichzeitig der Nachteil der anderen ist und umgekehrt. Die wesentliche Stärke von Halbleiterrelais stellen demnach kurze Schaltzeiten, die Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen sowie vor allem die nahezu unendlich große Lebensdauer dar. Als nachteilig erweist sich die relativ hohe Verlustleistung im Ausgangskreis, die insbesondere beim Führen des Ausgangsstroms zu Buche schlägt. Im Vergleich zu elektromechanischen Relais verringert dies die Schaltleistung. Um die Wärme vom Halbleiter abzuführen, werden solche Relais zudem oftmals mit teuren Kühlkörpern ausgestattet.

Zusammengefasst lässt sich somit feststellen, dass sich elektromechanische Relais im Führen des Stroms auszeichnen, während Halbleiterrelais beim Schalten des Stroms punkten.