Ratgeber
Relais auf der Basis von Halbleitern haben sich in vielen Fällen gegen elektromechanische Ausführungen durchgesetzt. Das gilt auch für Schütze, die üblicherweise in größeren industriellen Anwendungen zu finden sind. In unserem Ratgeber gehen wir auf die Unterschiede ein, erklären den Aufbau und die Funktion von Halbleiterschützen und geben Tipps für die Beschaffung.
Halbleiterrelais und Halbleiterschütze sind beides elektronische Schalter, die mit Halbleitern Lasten steuern. Sie besitzen keine beweglichen Teile, reagieren daher sehr schnell auf Steuersignale und erlauben ein geräuschloses Schalten. Sie sind außerdem für lange verschleißfreie Standzeiten ausgelegt.
Der eigentliche Unterschied zwischen Halbleiterrelais und Halbleiterschütz liegt in der Lastkapazität und der Robustheit. Halbleiterschütze wurden für das Schalten höherer Lasten entwickelt, sie können erheblich größere Ströme und Spannungen als Halbleiterrelais bewältigen. So ist eine Stromstärke von 70 Ampere und mehr für ein Halbleiterschütz kein Problem, entsprechende Kühlkörper vorausgesetzt.
Bei Motoren oder anderen induktiven Lasten, die beim Einschalten hohe Anlaufströme aufweisen, sind Halbleiterschütze oft die bevorzugte Wahl. Von Vorteil sind sie aber auch in Systemen mit hohen ohmschen Lasten, bei großflächigen Elektroheizungen beispielsweise.
Ein Halbleiterschütz besteht wie jedes Relais aus einem Steuer- und einem Lastkreis, untergebracht in einem relativ großen und stabilen Industriegehäuse. Es schützt die elektronischen Teile und dient in der Regel auch zur Montage auf einer DIN-Schiene, häufig gleich mehrfach im Reiheneinbau.
Der Steuerkreis wird durch ein elektrisches Signal aktiviert, das kann Gleichspannung ebenso sein wie Wechselspannung. Die für ein Relais und besonders für ein Schütz notwendige galvanische Trennung des Steuerkreises vom Lastkreis wird im Allgemeinen durch einen Optokoppler erreicht. Der Eingangsteil des Kopplers enthält eine LED, die durch das zuvor gleichgerichtete Steuersignal aufleuchtet. Auf der Ausgangsseite des Optokopplers befindet sich ein lichtempfindlicher Detektor, zumeist eine Fotodiode oder ein Fototransistor. Der Detektor reagiert auf den Lichteinfall und sendet seinerseits ein Signal an die Elektronik des Lastkreises. Da sich zwischen der LED und dem Fotodetektor eine isolierende Barriere aus Luft befindet, gibt es keine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Stromkreisen.
Der Hauptteil des Halbleiterschützes besteht aus Halbleiterbauelementen. Sie arbeiten als Schalter und steuern damit den Stromfluss durch die Last. Häufig sind Schütze nullspannungschaltend, das heißt: Schaltvorgänge werden nur dann ausgeführt, wenn die Wechselspannung ihren Nulldurchgang erreicht. Das ist der Punkt, an dem die sinusförmige Spannung von positiv zu negativ oder von negativ zu positiv wechselt und dabei kurzzeitig null ist. Das minimiert elektrische Störungen wie Spannungsspitzen oder Transienten, die normalerweise beim Schalten auftreten können.
Die überwiegend zu findenden Halbleiterbauelemente sind Thyristoren, TRIACs und MOSFETs. Ein Thyristor besteht typischerweise aus vier Schichten von abwechselnd p- und n-leitendem Material. Er besitzt drei Anschlüsse: Anode, Kathode und Gate. Der Strom fließt durch den Thyristor von der Anode zur Kathode, aber nur, wenn ein Steuersignal am Gate angelegt wird. Einmal eingeschaltet, bleibt der Thyristor leitend, und zwar so lange, bis das Gate-Signal unter einen bestimmten Wert – den Haltestrom – fällt.
Die interne Struktur eines TRIACs ähnelt zwei antiparallel geschalteten Thyristoren, was dem ihm die Fähigkeit verleiht, Strom in beiden Richtungen durchzulassen. Auch TRIACs bleiben bis zur Unterschreitung des Haltestroms leitend.
Zu den für Halbleiterschütze typischen Transistoren gehören die MOSFETs. Sie werden durch das Anlegen einer Spannung am Gate gesteuert, was ein elektrisches Feld erzeugt, das den Stromfluss zwischen Drain und Source ermöglicht oder unterbindet. MOSFETs benötigen aufgrund der isolierenden Schicht am Gate nur einen sehr geringen Steuerstrom.
Da Halbleiterbauelemente bei der Leitung von Strom Wärme erzeugen, ist oft ein Kühlkörper erforderlich, um eine Überhitzung zu vermeiden. Zusätzliche Schaltkreise wie Überspannungsschutz und Kurzschlussschutz können das Halbleiterschütz und die angeschlossene Last vor Schäden schützen.
Die Auswahl hängt von mehreren Faktoren ab, die auf die spezifischen Anwendungen zugeschnitten sein sollten. Dazu gehören in erster Linie der Typ und die Eigenschaften der Last. Zu unterscheiden sind hier einerseits Wechselstrom und Gleichstrom, andererseits der maximale Bedarf an Laststrom und Lastspannung.
Beim Laststrom liegen gängige Werte zwischen 10 und 70 Ampere. Hinsichtlich des Steuersignals ist zu überprüfen, welche Steuerspannung und welchen Steuerstrom das Gerät benötigt.
Halbleiterschütze eignen sich bevorzugt für Anwendungen, die eine hohe Schaltfrequenz erfordern. Deshalb ist sicherzustellen, dass die benötigte Schaltfrequenz ohne Überhitzung oder Leistungsverlust erreicht werden kann. Im Zweifel sollte ein ausreichend dimensionierter Kühlkörper zur Verfügung stehen.
Die Nullspannungsschaltung hilft, elektrische Störungen im Lastkreis zu minimieren, während Schutzschaltungen gegen Überspannung, Kurzschluss und Übertemperatur auch das angeschlossene Aggregat vor Schäden bewahren.
Das Verhalten eines Halbleiterschützes bei Überspannungen hängt von drei Kriterien ab: Bauweise, verwendete Halbleitermaterialien und eingebauten Schutzmaßnahmen. Im Allgemeinen sind Halbleiterschütze empfindlicher gegenüber Überspannungen als elektromechanische Ausführungen. Das liegt an den enthaltenen Halbleiterbauelementen wie Thyristoren, Triacs oder MOSFETs. Sie sind anfällig für Schäden durch hohe Spannungen.
Viele Halbleiterschütze verfügen daher über eingebaute Schutzschaltungen. Dazu gehören Varistoren, spezielle Dioden und sogenannte RC-Snubber-Netzwerke. Diese Halbleiter beziehungsweise Schaltungen begrenzen Spannungsspitzen. Das kann jedoch die Funktion beeinträchtigen, falls die Schutzmaßnahmen nicht geeignet sind oder die Überspannungen extrem hoch ausfallen.
Kurzzeitige Spannungsspitzen, wie sie bei Schaltvorgängen vorkommen, können allerdings oft von den Schutzschaltungen bewältigt werden. Länger andauernde Überspannungen führen jedoch zu einer Überhitzung und Schädigung der Halbleiterbauteile.
Die Robustheit eines Halbleiterschützes gegen Überspannungen hängt auch von der Qualität seiner Konstruktion und der verwendeten Materialien ab. Hochwertige Schütze bieten in der Regel besseren Schutz und größere Zuverlässigkeit.