Einige halten Halbleiterrelais für die überlegene Lösung für Leistungsschalter, doch andere bestehen darauf, dass elektromechanische Relais die beste Wahl seien. Wer hat Recht, und aus welchen Gründen? Zur Beantwortung dieser Fragen betrachten wir die Unterschiede zwischen elektromechanischen und Halbleiterrelais, wie sie funktionieren und vergleichen ihre Leistungsspezifikationen auf verschiedenen Ebenen.
Was ist ein Relais?
Ein Relais ist ein Leistungsschalter, der zur Verteilung von Leistung verwendet werden kann, ohne den Schalter manuell zu öffnen oder zu schließen. Um Strom ein- und auszuschalten, benötigt ein Relais nur ein kleines elektrisches Signal. Dieses Signal ist sozusagen ein „Türsteher” für ein viel größeres elektrisches Signal. Die Möglichkeit, ein Hochleistungssignal mit einem Niederleistungssignal zu kontrollieren, hat Relais zu einem bedeutenden Teil in der Geschichte der Elektronik gemacht.
Wo liegt der Unterschied zwischen elektromechanischen und Halbleiterrelais?
Elektromechanisches Relais (EMR)
Ein elektromechanisches Relais nutzt ein physisch bewegliches Teil, um die Kontakte in den Ausgangskomponenten des Relais zu verbinden. Die Bewegung dieses Kontakts wird durch die Nutzung elektromagnetischer Kräfte vom Niederleistungs-Eingangssignal generiert, was die Schließung des Schaltkreises ermöglicht, der das Hochleistungssignal enthält. Die physische Komponente im elektromechanischen Relais macht für gewöhnlich ein „Klick”-Geräusch, das in manchen Situationen nützlich sein kann, obwohl es zu interner Bogenbildung führen kann und es eine relativ lange Zeit zur Bewegung braucht.
Halbleiterrelais (SSR)
Ein Halbleiterrelais könnte auch das Pflegekind der Halbleiterindustrie sein. SSRs nutzen ein elektrisches Niederleistungssignal, um ein optisches Halbleitersignal zu erzeugen, normalerweise mit einem Oktokoppler, das ein Ausgangssignal überträgt und erregt. Bei Aktivierung fungiert das Eingangssignal als „Schalter”, der es ermöglicht, ein Hochspannungssignal durch die SSR‑Ausgangskomponente zu senden. Dazu gibt es mehrere Wege, aber alle haben gemeinsam, dass es keine beweglichen Teile gibt, was sie zu solid‑state macht.
Abbildung 1 – ein herkömmliches elektromechanisches Relais (EMR) und ein EMR-Blockdiagramm mit den beweglichen Teilen.
Abbildung 2 – Plattenmontiertes Halbleiterrelais – von Crydom und ein Diagramm, das den Optotransistor‑Mechanismus zeigt. Diagramm mit freundlicher Unterstützung von Wikipedia.
Beide Technologien eignen sich für Heizungs- und Beleuchtungsanwendungen sowie die Bewegungssteuerung und mehr. Halbleiterrelais sind jedoch den elektromechanischen Relais in den meisten Vergleichskategorien überlegen. Elektromechanische Relais sind eine relativ alte Technologie, die auf einem einfachen Design beruht. Im Gegensatz dazu sind Halbleiterrelais erheblich moderner und fortschrittlicher, aber auch komplexer. Man könnte nun argumentieren, dass ein komplexes Produkt nicht unbedingt besser als ein vergleichbares einfacheres Produkt ist, das denselben Zweck erfüllt. Das komplexere SSR könnte bei Ihnen aber die Nase vorn haben, was die Performance angeht.
Wo liegt der Vorteil, ein Halbleiterrelais anstatt einem elektromechanischen Relais zu nutzen?
Halbleiterrelais sind zunächst im Vergleich zu einem elektromechanischen Relais recht teuer. Ein SSR anstatt einem EMR zu integrieren, bedeutet jedoch unter dem Strich geringere Gesamtkosten, abhängig von der jeweiligen Anwendung. Das werden wir später diskutieren. SSRs schneiden bei der Leistung außerdem in vielen Bereichen besser ab als EMRs. Vergleichen wir die beiden:
Wie Sie sehen können, sind SSRs allgemein dynamischer in ihrer Leistung und ihren Eigenschaften im Vergleich zu EMRs. In einem Bereich haben EMRs jedoch oft einen Vorteil: Wärmemanagement. SSRs können im Verhältnis größere Verlustleistungen haben, weil sie ganz einfach andere physikalische Eigenschaften nutzen. Das bedeutet, dass Komponentendesigner Kühlkörper und Ventilatoren in ihre Designs integrieren müssen, was insgesamt die Kosten erhöht, wenn Sie sich für SSRs entscheiden.
Bevor Sie SSRs von vorne herein aus Kostengründen abschreiben, sprechen wir noch über Gesamtkosten sowie einzelne Faktoren, woraus sich „Kosten” zusammensetzen.
Kostenvergleich: So können sich SSRs auf lange Sicht lohnen
Ingenieure sind in der Regel auf Leistung bedacht, und höhere Leistung bedeutet normalerweise höhere Kosten. Auf der anderen Seite interessieren Supply Chain-Manager vor allem der Anschaffungspreis und die Lieferzeiten von Teilen, was als Beschaffungskosten bezeichnet wird. Business- und Marketing-Manager sehen vor allem die Garantiekosten. Diese berechnen sich aus der Lebenserwartung und den damit verbundenen Wartungskosten für Ausfall-, Transport- und Reparaturzeiten sowie Arbeitskraft. Von all diesen Kosten kann nur der ursprüngliche Teilepreis mit den oben genannten, einmaligen Kosten verglichen werden.”
Nur weil elektromechanische Relais einen geringeren Preis haben, heißt das nicht, dass sie deswegen „weniger kosten”, wenn man all die anderen versteckten Kosten betrachtet, die später ins Spiel kommen. Heutzutage fordern Manager „schnellere, bessere, billigere” Lösungen, die sich oft als widersprüchlich herausstellen, weil billiger nicht immer schneller und/oder besser bedeutet. Mit den Halbleiterrelais und -schützen von Crydom können Sie jedoch hinsichtlich der Gesamtbetriebskosten in der Tat schnellere, bessere und günstigere Produkte herstellen. Deren Halbleiterrelais sind verlässliche Lösungen, die zur Langlebigkeit der Anwendung beitragen, sodass Sie sich kaum um Pflege, Reparatur oder Ersatz kümmern müssen, wenn sie einmal installiert sind.
Ein nützliches Werkzeug zum Kostenvergleich
Zur Vereinfachung der Analyse der Gesamtbetriebskosten (TCO) von SSRs im Vergleich zu EMRs hat Crydom einen benutzerfreundlichen TCO-Rechner entwickelt. Sie finden diesen auf deren Website auf der Registerkarte „Tools“. Dabei werden Angaben zu direkten und indirekten Kosten berücksichtigt. Zudem wird davon ausgegangen, dass beide Schalterlösungen in Übereinstimmung mit der Last und den Stromversorgungssystemen ausgewählt wurden. Darüber hinaus kalkuliert der Rechner die bei verschiedenen Anwendungen gängigen, primär mit der Technologie verbundenen Kosten ein.
Die berechneten Kosten pro Einheit sind die Anschaffungskosten der Schalterlösung. Sie stehen auch für die Hinzunahme von Kühlkörpern (bei SSRs) und Sockeln (bei EMRs), sofern sie benötigt werden. Lebenserwartung, gemessen in Betriebszyklen, fallen dabei auch ins Gewicht, so wie spezielle Anforderungen für die vorliegende Anwendung. Dies könnte voraussichtliche Zyklen pro Minuten oder die Art der Ladung (z. B. resistiv, induktiv, Transformator/Kondensator oder Ballast) sein.
Die Angabe der Lastart ist erforderlich, um Anpassungen hinsichtlich der Lebensdauer von EMRs abzuschätzen. Außerdem wird dadurch automatisch die richtige Reduzierung anhand der gewählten Last ausgewählt: 80 Prozent Reduzierung bei Motoren, Spulen oder Magnetventilen, 75 Prozent Reduzierung bei Transformatoren oder Kondensatoren und 70 Prozent Reduzierung bei Ballasten. Auch der Garantiezeitraum wird einkalkuliert. Er dient bei den geschätzten Gesamtbetriebskosten als Zeitreferenz. Der Zeitraum kann geändert werden, um unterschiedliche Zeitrahmen von einem Monat bis zu einem Jahr oder mehr anzuzeigen. Auch die Kosten pro Dienstleistungseinheit sind zu berücksichtigen, da sie je nach Anwendung oder Geschäftsmodell variieren. Abbildung 3 zeigt den TCO-Rechner von Crydom.
Abbildung 3 – TCO-Rechner von Crydom.
Generell kann es bei der Wahl zwischen elektromechanischer und Halbleitertechnologie anfangs schwierig sein, über den höheren Preis der SSRs hinwegzukommen. Während das EMR zwar in der Anschaffung günstiger als das SSR ist, steigen mit zunehmender Zyklusanzahl beim EMR jedoch die Kosten für Wartung, Reparatur bzw. Austausch. Nachdem Sie also einmal die Gesamtbetriebskosten für SSRs und EMRs berechnet haben, werden Sie feststellen, dass die Lebenszeitkosten von SSRs gegenüber denen von EMRs in vielen Fällen gleichauf oder geringer liegen. Bei den Vorteilen von SSRs vor EMRs im Hinblick auf Eigenschaften und Leistung, fällt die Integration von SSRs in Ihr Design leicht.
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