Festkörperrelais vs. elektromechanische Relais

Je nachdem, wen man fragt, sind Solid-State-Relais die überlegene Leistungsschalter-Lösung, während andere darauf bestehen, dass elektromechanische Relais die offensichtliche Wahl sind. Wer hat recht und aus welchen Gründen? Um diese Fragen zu beantworten, wollen wir die Unterschiede zwischen elektromechanischen und Solid-State-Relais und deren Funktionsweise untersuchen und ihre Leistungsspezifikationen auf verschiedenen Ebenen vergleichen.

Was ist ein Relais?

Ein Relais ist eine Leistungsumschaltlösung, die verwendet werden kann, um Leistung zuzuweisen, ohne den Schalter manuell zu öffnen und zu schließen. Um die Leistung ein- und auszuschalten, benötigt ein Relais lediglich ein kleines elektrisches Signal. Dieses Signal ist ein metaphorischer „Türsteher“ für ein viel größeres elektrisches Signal. Die Fähigkeit, eine Hochleistungsschaltung mit niedriger Leistung zu steuern, ist der Grund, warum Relais in der Geschichte der Elektronik so prominent geworden sind.

Was sind die Unterschiede zwischen elektromechanischen und Halbleiterrelais?

Elektromechanisches Relais (EMR)

Ein elektromechanisches Relais verwendet ein physisches bewegliches Teil, um Kontakte innerhalb der Ausgangskomponente des Relais zu verbinden. Die Bewegung dieses Kontakts wird durch elektromagnetische Kräfte des Niedrigleistungs-Eingangssignals erzeugt, wodurch der Stromkreis geschlossen wird, der das Hochleistungs-Signal enthält. Das physische Bauteil innerhalb des elektromechanischen Relais erzeugt häufig ein "Klick"-Geräusch, das in einigen Situationen tatsächlich nützlich sein kann, obwohl es zu internem Funkenüberschlag führen kann und eine relativ große Zeit benötigt, um sich zu bewegen.

Solid State Relay (SSR)

Ein Halbleiterrelais könnte das Aushängeschild der Halbleiterindustrie sein. SSRs nutzen ein schwaches elektrisches Signal, um ein optisches Halbleitersignal zu erzeugen, typischerweise mit einem Optokoppler, das das Ausgangssignal überträgt und aktiviert. Wenn es aktiviert wird, fungiert das eingehende optische Signal als „Schalter“, der ermöglicht, dass ein Hochspannungssignal durch die Ausgangskomponente des SSR geleitet wird. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu erreichen, aber das gemeinsame Thema ist der Verzicht auf bewegliche Teile, was sie zu einem Festkörper macht.

Beide Technologien können für Anwendungen in den Bereichen Heizung, Beleuchtung, Bewegungssteuerung und mehr eingesetzt werden. Festkörperrelais sind jedoch in den meisten Vergleichskategorien den elektromagnetischen Relais überlegen. Elektromechanische Relais sind eine relativ alte Technologie, die einen einfachen mechanischen Designansatz verwendet, während Festkörperrelais viel neuer und fortschrittlicher—und ja, komplexer—sind. Man kann argumentieren, dass etwas Komplexes nicht unbedingt besser ist als ein vergleichbares einfacheres Produkt, das die gleiche Aufgabe erfüllt. Dennoch könnte das komplexere SSR, wenn es um die Leistung geht, schlicht überzeugen.

Was sind die Vorteile eines Halbleiterrelais im Vergleich zu einem elektromechanischen Relais?

Solid-State-Relais haben im Vergleich zu einem elektromechanischen Relais oft einen recht hohen und möglicherweise abschreckenden Anschaffungspreis. Die Integration eines SSR statt eines EMR kann jedoch je nach spezifischer Anwendung zu gleichen oder sogar niedrigeren Gesamtkosten führen, worauf wir später noch eingehen werden. Darüber hinaus übertreffen SSRs EMRs häufig in mehreren Bereichen. Lassen Sie uns die beiden vergleichen:

Wie Sie sehen können, sind SSRs im Allgemeinen dynamischer in ihrer Leistung und den Funktionen, die sie im Vergleich zu EMRs bieten. Es gibt jedoch einen Bereich, in dem EMRs oft im Vorteil sind: das Wärmemanagement. SSRs können eine Leistungsspreizung in Größenordnungen größer als elektromagnetische Relais haben, einfach aufgrund der Physik, die sie nutzen. Dies bedeutet in der Regel, dass Komponentendesigner Wärmesenken und Lüfter in ihre Designs integrieren müssen, was die anfänglichen Gesamtkosten für die Verwendung des SSR erhöht.
 
Bevor Sie SSRs aufgrund der anfänglichen Kosten abschreiben, sollten wir jedoch mehr über die Gesamtbetriebskosten sowie über die Personen sprechen, die bestimmen, was „Kosten“ wirklich bedeutet.

Kosten vergleichen: Wie Halbleiterrelais auf lange Sicht dennoch lohnenswert sein können

Ingenieure neigen dazu, sich auf die Leistung zu konzentrieren, und bessere Leistung bedeutet in der Regel höhere Kosten. Supply-Chain-Manager hingegen sind viel mehr an den anfänglichen Preisen der Teile und den Lieferzeiten interessiert, die als Beschaffungskosten bezeichnet werden. Geschäfts- und Marketingmanager richten ihr Augenmerk auf Garantie- und Wartungskosten, die die Lebensdauer und zugehörige Wartungskosten wie Ausfallzeiten, Reisezeiten, Austausch- und Reparaturzeiten sowie Arbeitsaufwand umfassen. Von all diesen Kosten können nur die anfänglichen Preise der Teile den zuvor erwähnten „einmaligen Anschaffungskosten“ gleichgesetzt werden.
 
Daher bedeutet ein niedrigerer Anschaffungspreis von elektromechanischen Relais nicht unbedingt, dass sie „weniger kosten“, wenn man alle anderen versteckten Kosten berücksichtigt, die später anfallen. In der heutigen Geschäftswelt fordern Manager allzu oft „schnellere-bessere-günstigere“ Lösungen, die häufig im Wettbewerb zueinander stehen – günstiger bedeutet nicht unbedingt schneller und/oder besser. Mit Crydom-Halbleiterrelais und -schützen können Sie jedoch tatsächlich schneller, besser und günstiger bei Betrachtung der Gesamtkostenrechnungen erreichen. Ihre Halbleiterrelais sind zuverlässig arbeitende Lösungen, die zur Langlebigkeit von Anwendungen beitragen, sodass man sich kaum Gedanken über Wartung, Reparatur oder Austausch machen muss, sobald sie installiert sind.

Vergleich der Gesamtbesitzkosten von Solid State Relais und Elektromechanischen Relais

Um Ihnen zu helfen, die Gesamtkosten (TCO) für SSRs im Vergleich zu EMRs zu analysieren, hat Crydom einen benutzerfreundlichen TCO-Rechner entwickelt, der auf ihrer Website unter dem Reiter „Tools“ zu finden ist. Der Rechner berücksichtigt Informationen zu direkten und indirekten Kosten und geht davon aus, dass beide Schaltlösungen passend zur Last und den Energiesystemen ausgewählt wurden. Zusätzlich berücksichtigt der Rechner hauptsächlich kostenbezogene Aspekte der Technologie, da diese in verschiedenen Anwendungen üblich sind.
 
Die Kosten pro Einheit des Rechners sind die Anschaffungskosten der Schaltlösung. Es gibt auch Kosten für die Hinzufügung von Kühlkörpern (für SSRs) und Sockeln (für EMRs), falls diese erforderlich sind. Die Lebensdauer, angegeben in Zyklen oder Operationen, wird ebenfalls berücksichtigt, ebenso wie spezifische Anforderungen für eine bestimmte Anwendung. Diese könnten projizierte Zyklen pro Minute oder die Art der Last umfassen (z. B. resistiv, induktiv, Transformator/Kondensator oder Vorschaltgerät).
 
Die Art der Last ist erforderlich, um Anpassungen der Lebenserwartung für EMRs zu schätzen, und der Rechner wählt automatisch die richtige Herabsetzung basierend auf der gewählten Last aus: 80% Herabsetzung für Motoren, Spulen oder Elektromagnete; 75% Herabsetzung für Transformatoren oder Kondensatoren; und 70% für Vorschaltgeräte. Die Garantiezeit, die ebenfalls in die Berechnung einfließt, dient als zeitlicher Bezugspunkt für die geschätzten Ergebnisse der Gesamtkosten. Sie kann angepasst werden, um verschiedene Zeitrahmen anzuzeigen, von einem Monat bis zu einem Jahr oder mehr. Kosten pro Service, eine weitere Variable, müssen ebenfalls berücksichtigt werden, da sie sich je nach Anwendung oder von einem Geschäftsmodell zum anderen ändern. Abbildung 3 zeigt Crydoms TCO-Rechner.

Wenn Sie zwischen elektromechanischer Relais-Technologie und Halbleiterrelais-Technologie wählen, könnte es schwierig sein, die hohen Anschaffungskosten von SSRs zu übersehen. Während die Anfangskosten eines EMR geringer sind als die eines SSR, steigen mit zunehmender Anzahl der Zyklen die Kosten für Wartung, Reparatur und/oder Austausch des EMR. Wenn Sie die Gesamtkosten für den Besitz von SSRs und EMRs betrachten, werden Sie bald feststellen, dass die Lebensdauerkosten von SSRs in vielen Fällen gleich oder geringer sind als die von EMRs. Angesichts der Vorteile, die SSRs gegenüber EMRs in Bezug auf Funktionen und Leistung bieten, ist es nicht schwer zu rechtfertigen, ein SSR in Ihr Design zu integrieren.
 
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