PhotoMOS-Relais Das Bauteil der unbegrenzten Möglichkeiten?

Klein, leicht, sparsam und robust – die unaufhaltsame Weiterentwicklung der innovativen Halbleiterschalter sorgt für eine beachtliche Leistungsfähigkeit, die sich mit der richtigen Verschaltung noch steigern lässt. Ob Drehrichtungsänderung mit Öffner-Typen oder Stromverdopplung via Parallelverschaltung – die Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt.

Die Sektkorken liegen noch auf den Tischen, und das schrille Pfeifen der Raketen hallt leise in den Ohren nach. Vielerorts verabschiedete sich das Jahr 2006 mit Pauken und Trompeten. Die Menschen feierten sinkende Arbeitslosenzahlen und eine florierende Wirtschaft, die vergangenen zwölf Monate bleiben vielen als gutes Jahr im Gedächtnis. Auch die Relaishersteller schließen das Kapitel 2006 mit einem zufriedenen Lächeln ab, verbaute die Industrie doch weltweit die rekordverdächtige Anzahl von rund 3,3 Milliarden Relais.

Den Löwenanteil des Gesamtkuchens, gut drei Viertel, stellen elektromechanische Relais. Das bewährte Prinzip aus Spule, Anker und Kontakt findet sich überall: im Auto als widerstandsfähiger Kfz-Typ, in Telekommunikationsanlagen als Signalrelais oder in der Hausinstallation als strompotenter Leistungsschalter.

Das restliche Viertel setzt sich aus verschiedensten Arten von Halbleiterrelais zusammen. Vor etwa 30 Jahren, als die Technik noch in den Kinderschuhen steckte, gingen nur wenige Millionen Stück über die Verkaufstresen. Mittlerweile schnellten die Verkaufszahlen auf knapp eine Milliarde pro Jahr hoch. Und es ist kein Ende in Sicht – die stetige Weiterentwicklung weist der Technik immer neue Wege auf. Besonders die PhotoMOS-Relais glänzen mit Daten, die dem „idealen“ Schalter nahe kommen: Sie verbrauchen kaum Verlustleistung im Ansteuerkreis, arbeiten lautlos, kennen keine Alterungserscheinungen und stecken in winzigen Gehäusen. Darüber hinaus werben PhotoMOS-Relais mit einer linearen Ausgangskennlinie (ohmsches Verhalten), hohen Schaltfrequenzen und dem Fehlen einer störenden Schwellspannung um die Gunst der Entwickler.

Auch Applikationen, die Öffner-Typen benötigen, lassen sich mittlerweile mit PhotoMOS realisieren. Waren lange Zeit nur Schließer-Typen verfügbar, ist mittlerweile auch eine breite Vielfalt von Öffner-Typen im Produktportfolio der Hersteller zu finden. Doch wie funktionieren PhotoMOS-Relais eigentlich, und worin unterscheiden sich Schließer- und Öffnertypen?

Aufbau von PhotoMOS

Erst das Zusammenspiel von drei Einzelelementen, wie in Bild 1 illustriert, führt dazu, dass PhotoMOS-Relais mit den von vielen geschätzten Eigenschaften aufwarten können. Die Ansteuerung erfolgt über eine Leuchtdiode im Eingangskreis. Dank der LED-Technik bleibt die Stromaufnahme gering – lediglich 2 bis 10 mA genügen, um maximale Helligkeit zu erzielen. Eine transparente Isolationsschicht trennt die Leuchtdiode von einem Solarzellenfeld, das den Lichtstrom wieder in eine Spannung umwandelt. Über eine Triggerschaltung wird dann der eigentliche Ausgangskreis, bestehend aus einem oder zwei Power-MOSFETs, geschaltet. Bei herkömmlichen Schließern, also „1 Form A“, kommen selbstsperrende Typen zum Einsatz. Öffner dagegen sind in selbstleitender MOS-Struktur ausgeführt.

Im Betrieb funktioniert das Ganze dann so: Die LED wird angesteuert und erzeugt Licht im Infrarot-Bereich. Das emittierte Licht fällt auf das Solarzellenfeld und erzeugt eine Photospannung von einigen Volt. Diese Photospannung ist von mehreren Faktoren abhängig: Neben der Um-
gebungstemperatur spielen Stromschwankungen im Ansteuerkreis der LED sowie die Ein- und Ausschaltflanken (Schnelligkeit der Ansteuerschaltung) eine wichtige Rolle.

Um trotz dieser Widrigkeiten ein definiertes Ein- und Ausschalten des Leistungskreises zu garantieren, enthält das PhotoMOS-Relais eine Triggerschaltung. Die Photospannung schaltet also nicht direkt den Ausgangskreis. Sie muss vielmehr zuerst die Schwellspannung der Kontrollschaltung überschreiten. Erst dann schalten auch die Ausgangs-MOSFETs durch. Vorteil ist, dass undefinierte Zustände wie ein zu hoher Einschalt-Widerstand im Ein- oder Ausschaltmoment („Dimmer-Effekt“) und damit eine Zerstörung des PhotoMOS durch thermische Überlast vermieden werden.

Schaltet man die Ansteuerspannung wieder ab, erlischt die Leuchtdiode. Die Photospannung unterschreitet den Schwellwert und die Ausgangs-MOSFETs schalten mit einem Mal ab. Schließer- und Öffnerausführung funktionieren prinzipiell gleichermaßen; der unterschiedliche MOSFET-Aufbau, einmal Anreicherungs- und einmal Verarmungs-Typ, stellt den einzigen Unterschied dar. Wie man Öffner und Schließer einsetzen und mit welchen Verschaltungsarten man das Maximum aus den Schließertypen herauskitzeln kann, zeigen folgende Beispiele.