Auswahl von Relais: Elektromechanisch, Reed, SSR, FET

In ATE-Anwendungen werden heutzutage wohl am häufigsten elektromechanische Relais verwendet. Diese bestehen aus einer Spule, einer Ankervorrichtung und elektrischen Kontakten. Wenn die Spule unter Strom steht, wird durch das induzierte Magnetfeld die Vorrichtung bewegt, wodurch die Kontakte geöffnet und geschlossen werden. Siehe Abbildung 1.

^{Abbildung 1: Elektromechanisches Relais: Strom durch die Spule erzeugt ein magnetisches Feld, wodurch sich der Anker zwischen den Kontakten bewegt}

Elektromechanische Relais unterstützen einen großen Bereich von Signaleigenschaften, von Niedrigspannungen/-strömen bis zu hohen Spannungen und Strömen und von Gleichstrom bis hin zu GHz-Frequenzen. Aus diesem Grund können Sie fast immer ein elektromechanisches Relais mit Signaleigenschaften finden, das Ihren Systemanforderungen entspricht. Die Schaltkreise in elektromechanischen Relais sind galvanisch von den Relaiskontakten isoliert und die Kontakte selbst sind darüberh hinaus voneinander getrennt. Durch diese Isolierung sind elektromechanische Relais hervorragend für Situationen geeignet, in denen eine galvanische Trennung erforderlich ist.

Die Kontakte auf elektromechanischen Relais sind in der Regel größer und robuster als die anderer Relaistypen. Die größeren Kontakte geben ihnen die Möglichkeit, unerwarteten Stoßströmen standzuhalten, die durch parasitäre Kapazität in Ihrer Schaltung, Kabeln usw. verursacht werden. Ein bedauerlicher Kompromiss besteht jedoch darin, dass die größeren Kontakte größere Gehäusegrößen erfordern, so dass sie nicht so dicht auf einem Schaltmodul platziert werden können.

Die mechanische Konstruktion elektromechanischer Relais ermöglicht zwar eine großere Flexibilität in Schaltungen, jedoch wird die Geschwindigkeit dadurch limitiert. Im Vergleich zu anderen Relais sind elektromechanische Relais relativ langsam - typische Modelle können in 5 bis 15 ms schalten und sich einschwingen. Diese Arbeitsgeschwindigkeit kann für manche Anwendungen zu langsam sein.

Elektromechanische Relais haven normalerweise kürzere mechanische Einsatzzeiten als andere Typen. Dank technologischer Fortschritte hat sich die Einsatzzeit von elektromechanischen Relais bereits verlängert, jedoch gibt es für sie nach wie vor nicht so viele mögliche Einsatzmöglichkeiten wie für vergleichbare Reedrelais. Wie bei allen Relais haben die Größe der Schaltleistung und andere Systemeigenschaften einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtlebenszeit des Relais. Die Einsatzzeit der mechanischen Aspekte eines elektromechanischen Relais kann zwar kürzer sein als die eines Reedrelais, jedoch kann die Einsatzzeit elektrischer Komponenten unter einer verleichbaren Last (insbesondere einer kapazitativen Last) trotzdem länger sein als bei einem Reedrelais. Die größeren, robusteren Kontake an einem elektromechanischen Relais haben oft eine längere Lebenszeit als die eines vergleichbaren Reedrelais.

Elektromechanische Relais sind erhältlich als Latching- und als Non-latching-Relais. Non-latching-Relais erfordern zur Betreibung eine kontinuierliche Flussrate durch die Spule. Solche Relais werden oft in Anwendungen verwendet, in denen im Fall eines Stromausfalls in einen sicheren Zustand geschaltet werden muss. Latching Relais haben permanente Magneten, durch die die Vorrichtung in der aktuellen Position gehalten wird, auch nachdem der Antriebsstrom von der Spule entfernt wird. Für sehr Niederspannungsanwendungen sind Latch-Relais zu bevorzugen, da die fehlende Spulenheizung die thermische elektromotorische Kraft (EMK) minimiert, die Ihre Messungen beeinflussen kann.

Elektromechanische Relais werden in einer Vielzahl von Schaltmodulen eingesetzt. Ihre Robustheit macht sie gut geeignet für viele Anwendungen, besonders wenn die Schaltgeschwindigkeit nicht die höchste Rolle spielt, und ihre Vielseitigkeit bedeutet, dass sie für alle Arten von Schaltkonfigurationen verwendet werden können, einschließlich Universalschaltungen, Multiplexer und Matrizen.

Reedrelais haben wie elektromechanische Relais physische Kontakte, die mechanisch betätigt werden, um einen Pfad zu öffnen/schließen. Bei Reedrelais sind die Kontakte jedoch viel kleiner und masseärmer als bei elektromechanischen Relais. Trocken-Reedrelais bestehen aus Spulen, die um Reedrelais gewickelt sind. Der Reedschalter besteht aus zwei sich überlappenden ferromagnetischen Messern (Reeds), die in einer Glaskapsel, die mit einem Inertgas gefüllt ist, hermetisch verschlossen sind. Die Zungen weisen an ihren überlappenden Enden Kontakte auf. Bei Erregung der Spule werden die beiden Zungen so zusammengezogen, dass ihre Kontakte einen Weg durch das Relais zurücklegen. Bei stromloser Spule zieht die Federkraft in den Zungen die Kontakte auseinander. Siehe Abbildung 2.

^{Abbildung 2: Trockenrelais: Bei Strom durch die Spule entsteht ein Magnetfeld, das die beiden Reedkontakte zusammenzieht.}

Aufgrund der kleineren, weniger massiven Kontakte und des unterschiedlichen Betätigungsmechanismus kann ein Reedrelais etwa 10 Mal schneller schalten als ein elektromechanisches Relais mit gleicher Nennleistung. Die mechanische Lebensdauer des Reedrelais ist zudem viel höher als bei einem elektromechanischen Relais. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass die kleineren Kontakte am Reedrelais beim Schließen eines Stromkreises dessen Anfälligkeit für Lichtbogenschäden deutlich erhöhen. Wenn ein Lichtbogen über die Kontakte springt, kann er einen kleinen Abschnitt der Kontaktfläche aufschmelzen. Sind die Kontakte beim Wiedererstarren der Schmelze noch geschlossen, können die Kontakte miteinander verschweißen. Die Federkraft in den Zungen reicht oft nicht aus, um die Schweißnaht nach Abschalten des Antriebsstroms mechanisch zu brechen, wodurch das Relais unbrauchbar wird. Elektromechanische Relais können auch durch Lichtbögen beschädigt werden, aber die benötigte Energie ist viel höher.

Da Reedrelais so anfällig für Kontaktschäden sind, können Einschaltströme von der Systemkapazität besonders gefährlich sein. Einschaltströme können mit einer Längsimpedanz, wie einem Widerstand oder Ferrit, zwischen Relais und Kapazität gesteuert werden. Jede Kapazität im System kann zu Einschaltströmen beitragen, sei es in einem reaktiven Prüfling oder von einem abgeschirmten Kabel.

Die ferromagnetischen Materialien, aus denen Reedrelais aufgebaut sind, verursachen eine höhere thermische EMK als ein gleichwertiges elektromechanisches Relais. Reedrelais sind daher nicht ideal für Anwendungen mit extrem niedriger Spannung, da ihre thermische EMK genügend Rauschen verursachen kann, um Fehler in Ihren Messungen zu verursachen.

Die geringe Größe und die hohe Geschwindigkeit des Reedrelais machen es zu einer hervorragenden Wahl für viele Schaltanwendungen. Reed-Relais finden sich häufiger an Matrix- und Multiplexermodulen als an Universalmodulen.

SSRs werden mit einem photoempfindlichen MOSFET-Gerät mit einer LED zur Ansteuerung des Geräts aufgebaut. Siehe Abbildung 3.

^{Abbildung 3: Halbleiterrelais (SSR): Licht von der gekapselten LED aktiviert den photoempfindlichen MOSFET und lässt ihn von Strom durchfließen.}

SSRs sind eine schnellere Alternative zu elektromechanischen Relais, da ihre Schaltzeit von der Zeit abhängt, die zum Ein- und Ausschalten der LED benötigt wird - etwa 1 ms bzw. 0,5 ms. Da keine mechanischen Teile vorhanden sind, ist ihre Lebensdauer höher als bei einem elektromechanischen oder Reedrelais.

SSRs sind für Hochspannungsanwendungen nützlich, da die LED-Aktivierung eine galvanische Isolationsbarriere zwischen der Steuerschaltung und dem MOSFET darstellt. Da der MOSFET jedoch schaltet, gibt es keine galvanische Barriere zwischen seinen Kontakten. Wenn am MOSFET keine Gate-Ansteuerung anliegt, ist der Drain-Source-Kanal am MOSFET sehr hochohmig, wodurch die Kontakte getrennt werden.

Da die Verbindung über einen Transistor anstelle von physikalischem Metall wie bei elektromechanischen Relais und Reedrelais erfolgt, ist der Kontaktwiderstand für eine SSR größer. Obwohl technologische Verbesserungen den Übergangswiderstand von SSRs kontinuierlich verbessern, sind sie auch heute noch mit Widerständen von 100 Ohm oder mehr in Produktion.

SSRs sind nicht so robust wie elektromechanische Relais. Ähnlich wie Reedrelais sind sie sehr anfällig für Überspannungsströme und Schäden, wenn sie bei Signalpegeln oberhalb ihrer Nennspannung verwendet werden. Obwohl keine Metallkontakte zum Schweißen vorhanden sind, kann eine Beschädigung des MOSFET das Relais unbrauchbar machen.SSRs sind bei Matrizen und Multiplexern üblich. 

Wie SSRs sind FET-Schalter keine mechanischen Geräte. FET-Schalter verwenden eine Reihe von CMOS-Transistoren, um das Schalten zu implementieren. Im Gegensatz zu SSRs steuert die Steuerschaltung die Gates der Transistoren direkt an, anstatt eine LED anzusteuern. Die direkte Ansteuerung des Transistor-Gates ermöglicht viel schnellere Schaltgeschwindigkeiten, da die Einschaltdauer der LED kein Problem darstellt. Im Allgemeinen sind FET-Schalter die schnellsten der hier diskutierten Schalter. Da sich keine mechanischen Teile oder LEDs in der Verpackung befinden, können FET-Schalter sehr klein sein. Ein wesentlicher Nachteil des FET-Schalters besteht jedoch darin, dass er keine physikalische Isolationsbarriere aufweist und daher nur mit Niederspannungssignalen verwendet werden kann.

Da sie auf FET basieren, teilen FET-Schalter viele Vor- und Nachteile von SSRs. Sie haben beispielsweise eine höhere Schaltlebensdauer, aber auch einen viel höheren Leitungswiderstand als ein elektromechanisches oder Reedrelais.

FET-Schalter werden am häufigsten in Multiplexerkonfigurationen für Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit und niedriger Spannung verwendet.

Elektromechanische Relais bieten eine gute Allround-Lösung, obwohl sie hinsichtlich Gehäusegröße, Schaltgeschwindigkeit und mechanischer Lebensdauer begrenzt sind. Reed-Relais verbessern die Gehäusegröße, -dichte und -geschwindigkeit, sind aber weniger robust in Situationen, in denen Stoßströme auftreten können. SSRs sind eine schöne Alternative zu mechanischen Relais, haben jedoch höhere Leitungswiderstände und sind nicht vollständig zwischen den Kontakten isoliert. FET-Schalter bieten eine schnelle, kostengünstige Lösung, haben jedoch die Einschränkung, nur mit niedrigen Spannungen zu arbeiten.

Beachten Sie für jede Anwendung alle Systemparameter, bevor Sie einen bestimmten Relaistyp auswählen. Mit diesen Informationen können Sie die geeigneten Kompromisse für Ihre Anwendung eingehen.