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Vorteile von Halbleiterrelais (SSRs)gegenüber elektromechanischen Relais (EMRs)

Anwendungs-Note: AN-145DE

AN-145DE www.ixysic.com 2

Anwendungs-Note: AN-145DE1. Einführung

Viele elektronische Schaltungen können die Vorteileder besseren Leistung von Halbleiterrelais (solid-staterelays = SSRs) gegenüber elektromechanischen Relais(electro-mechanical relays = EMRs) bei gleicherSchaltungsfunktion ausnutzen. Halbleiterrelais habenfolgende Vorteile:

• SSRs sind typischerweise kleiner als EMRs, wodurchsich eine deutliche Platzeinsparung auf gedrucktenLeiterplatten ergibt

• SSRs bieten eine bessere Systemzuverlässigkeit, dasie keine beweglichen Bauteile haben oder Kontaktedie sich abnutzen könnten

• SSRs bieten ideale Eigenschaften, stellen keine An-forderungen an die Ansteuerelektronik und schaltenprellfrei

• SSRs bieten bessere System-Lebenszeitkosten, ein-schließlich einer einfacheren Schaltung mit geringe-ren Anforderungen an Stromversorgung und dieWärmeabfuhr

• SSRs nutzen Surface-Mount-Technologie (SMT),gleichbedeutend mit geringeren Bestückungskostenund mit einfacherer Leiterplattenmontage

Diese Anwendungs-Note zeigt Einzelheiten der Vorteilevon SSRs gegenüber EMRs auf. Enthalten sind auchVerweise auf IXYS IC Division Halbleiterrelais undSchaltungsentwürfe.

2. Einsatz von SSRs

Halbleiterrelais können elektromechanische Relais invielen Anwendungen ersetzen, beispielsweise:

• Telekommunikation:- I/O-Karten- Ansteuerungen- Antennenumschalter für UMTS- GSM Basisstationen- Lastschalter- Radio Basisstationen- Schalter in analogen Amtsleitungen- EMR-Ersatz bei analogen Nebenstellen- Sensor für “Ground-Start”-Funktion

- Schleifenstromsensor- An- /Abschaltung von Prüfgeräten

• Datenkommunikation:- Analoge Telefoninterfaces

(data access arrangement = DAA)- PC Modem DAA-Schaltungen- Leitungsschalter bei V.92 Modems

• Industrie:- Pulsgeber in der Messtechnik- Multiplexer- Signalisierung im Bahnbereich- Dekodierschalter- Industrie Steuersysteme- Fernüberwachung- Potentialtrennung- Eingangs-Multiplexschalter von programmierbarer

Logik-Steuerung- Ausgangsschalter von Logik/Controllersteuerung

• Sicherheits-Systeme:- Alarm-Schalter- Sensor-Schalter

3. Über IXYS IC Division SSRs

IXYS ICD’s Produktlinie von OptoMOS® Halbleiterrelaismachen Gebrauch von der Halbleitertechnologie, umisolierte Schalterlösungen mit Kleinsignalen treiben zukönnen. Die OptoMOS Halbleiterrelais beinhalten viereinzelne Halbleiterchips um optimale Leistung zu er-zielen; die drei Schaltungs-Grundfunktionen sind: DerEingangstreiberteil besteht aus einem LED-Chip derden Eingangsstrom in infrarotes Licht umwandelt unddamit optisch angekoppelte Photovoltaikzellen (PV)und die damit verbundene Treiberelektronik ansteuert.Die PV erzeugen damit die Spannung, die benötigtwird um die Hochvolt Ausgangs-MOSFETsanzusteuern, die die Ausgangslast schalten.

LED- und PV-Chip sind über ein durchsichtiges Mate-rial miteinander verbunden, das Licht überträgt ohnedabei die elektrische Isolation aufzuheben. Diesesoptische, dielektrische Material gewährleistet die elek-trische Isolation.


Anwendungs-Note: AN-145DEIXYS ICD’s Familie von analogen Leitungsschaltern (LineCard Access Switch = LCAS) stellt die nötigen Funktio-nalitäten zur Verfügung, um alle elektromechanischenRelais mit 2 Wechselkontakten zu ersetzen, die in tra-ditionellen Sprach- und Daten-Line-Cards in der Ver-mittlungstechnik und der Anlagentechnik Verwendungfinden. Die Grundfunktionen von Relais auf einer ana-logen Line-Card sind Leitungsschalter, Rufsignalauf-schaltung, Test der Nebenstellenleitung bzw. Testaus-gang und Schaltkreistest bzw. Testeingang. All dieseFunktionen müssen hohe Signalspannungen verkraftenund strengen Überlast- und Überspannungsprüfungengenügen. LCAS Produkte sind monolithische ICs, die inIXYS ICD’s einzigartigem 320 Volt BCDMOS-Prozesshergestellt werden. Der Prozess verfügt über Trench-Isolierung und basiert auf gebondetem Dickfilm Silicon-On-Insulator (SOI).

IXYS ICD’s OptoMOS Halbleiterrelais, Wechselstrom-Halbleiterrelais und LCAS-Produkte können Sperr-spannung bis zu 600 V und Lastströme bis zu 1 A ver-arbeiten.

Abbildung 1: IXYS ICD Halbleiterrelais (SSRs)

4. Spezifizierung eines SSRs4.1 Die Tendenz zur ÜberdimensionierungDieser Abschnitt beschreibt die Tendenz zur Über-dimensionierung bei elektromechanischen Relais(EMRs). Überdimensionierung bei einem Bauteil ineinem Schaltungsdesign führt zu einem fertigenProdukt das teurer ist als es sein müsste.

Wenn EMRs eingesetzt werden resultiert die Tendenzzur Überdimensionierung aus zwei Design-Gründen: Invielen Fällen werden EMRs bezüglich ihrer Schalt-strombelastbarkeit schlicht zu groß bemessen, weil

keine anderen EMRs erhältlich sind. Meistens jedochwerden EMRs wegen der erwarteten Schaltkontaktab-nutzung innerhalb der Einsatzdauer überdimensio-niert. Kontakterosion führt zu höherem Kontaktüber-gangswiderstand und zu der Tendenz der Kontaktver-schmelzung, die das Relais unbrauchbar macht.

SSRs hingegen können gemäß der tatsächlichenLastströme und –spannungen dimensioniert werden.Kontakterosion gibt es nicht, da keine Kontakte vor-handen sind. SSRs sind über einen großen Laststrom-bereich erhältlich, um den Anforderungen an dasSchaltungsdesign bestmöglich zu genügen. Siehe“Einsatz von SSRs” auf Seite 2 für weitereInformation.

4.2 Maximales Schaltvermögen und –abnahmeAbbildung 2: Diagramm zur Abnahme des Schaltvermögens

EMR Hersteller spezifizieren ihre Relais entsprechenddem maximalen Schaltvermögen. Das maximaleSchaltvermögen ist im Relais-Datenblatt gewöhnlich inVolt-Ampere oder Watt spezifiziert. Die Daten werdenals Diagramm ähnlich dem in Abbildung 2 angegeben.Das maximale Schaltvermögen von EMRs nimmtgrundsätzlich zu höheren Spannungen oder Strömenhin ab. Zudem betreiben Benutzer diese Relais weitunterhalb der Herstellerempfehlungen, um die Kon-taktlebensdauer zu erhöhen. Häufig befindet man sichdurch diese Abnahme des Schaltvermögens auchschon im Leistungsbereich eines Halbleiterrelais.SSRs haben keine Kontakte, folglich muss auch keine

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

050 100 150 200 250 300 350 400 500 600

Last

stro

m [A

]

Lastspannung [V]

OptoMOSHalbleiterrelais

LCAS

Halbleiter-Wechselstrom-

schalter(AC-Switches)

Last

stro

m [A

]

Imax

I1

EMR Last-Schaltvemögen Wmax, VAmax

SSRArbeitsbereich

EMRArbeitsbereich

0 V1 Vmax

Lastspannung [V]


Anwendungs-Note: AN-145DESchaltleistungsreduzierung vorgenommen werden umKontakterosion zu verhindern. Die maximale Schaltlei-stung braucht bei SSRs nicht reduziert werden.

5. Vorteile bei Gehäuseabmessungen von SSRs

SSRs haben einen beträchtlichen Größenvorteil ge-genüber EMRs. Bei heutigen Schaltungsumgebungen,wo Leiterplattenfläche teuer ist, zählt Größe ganz ent-scheidend.

Die Tabelle “Vergleich der physikalischenAbmessungen von SSRs und EMRs” auf Seite 4 zeigtin einem Vergleich den Unterschied bei denphysikalischen Abmessungen zwischen SSRs undEMRs in Form von Leiterplatten-Flächenbedarf proSchalter, die benötigt wird. Diese Information kanndazu benutzt werden, die benötigte Leiterplattenflächemit EMRs und SSRs zu berechnen. Bei analogen Line-Cards, wo Kanaldichte kritisch ist und die Leiterplatten-größe limitiert ist, können mit der gewonnenen Leiter-plattenfläche sogar 32 statt bisher 16 Kanäle pro Line-Card untergebracht werden.

So kann beispielsweise ein Entwickler 43% Leiterplat-tenfläche einsparen, indem er IXYS ICD’s CPC7581MAeinsetzt, statt EMRs der vierten Generation. Der Ein-satz von LCAS macht auch die Verwendung der Kon-takt-Schutzbeschaltung überflüssig, die bei EMRs er-forderlich sind. Bei Anwendungen wie integriertenModems in “Set-Top-Boxen” benötigen Halbleiterrelaiswie IXYS ICD’s CPC1035 nur etwa 16% der Leiterplat-tenfläche gegenüber einer Reed-Relais Lösung.

Tabelle 1: Vergleich der physikalischenAbmessungen zwischen SSRs und EMRs

Bauteil Gehäuse AnzahlSchalterPlatzbedarf/

Schalter[mm2]

CPC7581BA LCAS 16 SOIC 4 54



CPC7581MA LCAS 16 MLP 4 21

CPC7582MA LCAS 16 MLP 6 10,5

CPC7583MA LCAS 28 MLP 10 13

LCA110 OptoMOS 6-Pin SMT 1 53

LCA110 OptoMOS 8-Pin SMT 2 30,5

CPC1035 OptoMOS 4-Pin SOP 1 16

Reed-Relais 4-Pin SIP 1 97

SMD Reed-Relais 4-Pin,bedrahtet 1 116

EMR der 3. Generation 2-Form-C 4 77

EMR der 4. Generation 2-Form-C 4 36,5Die angegebenen Zahlen berücksichtigen nicht die einzuhaltenden Mindestabständezwischen EMRs beim Leiterplattenentwurf. Siehe hierzu “Störungsentstehung undEntkopplung” auf Seite 5 und “Magnetische Wechselwirkung und Empfindlichkeit” aufSeite 5 zur weiteren Information.

6. Vorteile bei Einsatz von SSRs auf gedrucktenLeiterplatten

In Anwendungen mit gedruckten Leiterplatten habenSSRs folgende Vorteile gegenüber EMRs:

• SSRs können nicht durch Magnetfelderbeeinträchtigt werden

• SSRs schalten prellfrei• SSRs sind immun gegenüber mechanischen

Einflüssen wie Schock und Vibration• SSRs erzeugen keine elektromagnetischen Stö-

rungen und sind auch nicht empfindlich gegenüberdiesen Einflüssen (EMV, EMI)

• SSRs können auf modernen gedrucktenLeiterplatten vorteilhaft wie gewöhnliche ICsverarbeitet werden

Dieser Abschnitt beschreibt im Detail die Vorteile derVerwendung von SSRs auf gedruckten Leiterplatten.


Anwendungs-Note: AN-145DE6.1 Magnetische Wechselwirkung und EmpfindlichkeitEMRs arbeiten durch magnetische Felder. Diese Feldersind nicht auf das Relais selbst beschränkt, womitWechselwirkungen von magnetischen Feldern mit an-grenzenden elektromagnetischen Bauelementen beider Leiterplattenentwicklung berücksichtigt werdenmüssen.

Abbildung 3: EMR Abstandsanforderungen

Die Wechselwirkung wird mit den folgenden Aussagenbeschrieben, die aus EMR Anwendungsinformationenstammen:

• Nicht einsetzen in Umgebungen mit übermäßig vielenmagnetischen Partikeln oder Staub

• Nicht einsetzen bei magnetischen Feldern (über8000 A/m)

• Bei geplanter benachbarter Bestückung mehrererRelais sind die minimalen Montageabstände für jedenTyp von Relais einzuhalten

Die elektromagnetische Wechselwirkung kostet wert-volle Leiterplattenfläche, üblicherweise 5 mm auf jederSeite eines EMRs - versteckte Kosten bei EMRLösungen. Typische EMR Abstandsanforderungen unddie Einflüsse von EMR-Abständen auf die Anzieh- undLösespannung zeigt Abbildung 3.

Magnetische Wechselwirkung gibt es nicht bei SSRs,weil der Ausgangsschalter nicht über ein magnetischesFeld betätigt wird.

6.2 Störungsentstehung und EntkopplungGanz anders als SSRs erzeugen EMRs elektrischeStörungen und hörbare Geräusche, die beigedruckten Leiterplatten problematisch sein können.Man beachte die folgenden Aussagen, die aus EMRAnwenderinformationen stammen:

• Ein Relais kann eine Störquelle für einen Halbleiter-schaltkreis darstellen. Dies muss bei der Platzierungdes Relais und anderen Halbleiterbauteilen auf derLeiterplatte beachtet werden.

• Ordnen Sie das Relais und Halbleiterbauteile soweit wie möglich voneinander entfernt an.

• Platzieren Sie die Überspannungsunterdrückung fürdie Relaisspule unmittelbar neben dem Relais.

• Verlegen Sie keine Leitungen von Audio-Signalenneben Relais, da sonst Störungen eingekoppelt wer-den könnten.

• Verlegen Sie Leitungen so kurz wie möglich.• Eine Methode zur Trennung von Spannungsquellen

und dem Relais von anderen elektronischen Bauele-menten ist die Verwendung von abgeschirmtenLeitungen.

SSRs sind integrierte Schaltungen. Sie erzeugenkeine hörbaren Geräusche oder elektrischenStörungen und brauchen nicht unter besonderenVorkehrungen auf gedruckten Leiterplatten nebenanderen Halbleiterbauelementen angeordnet werden.

6.3 Schock und VibrationVerglichen mit SSRs sind EMRs weit weniger immungegenüber mechanischem Schock und Vibration. Fer-ner muss die Ausrichtung des Relais relativ zu diesenmechanischen Einflüssen bedacht werden, wenn mitphysikalischer Bewegung zu rechnen ist.

Ideal wäre eine Montageanordnung, bei der jeglicherSchock oder Vibration im rechten Winkel zu der Wir-kungsrichtung der beweglichen Teile ist. Wenn dieRelaisspule energielos ist, wird die Schockempfind-lichkeit und Geräuschunempfindlichkeit wesentlichdurch die Montageanordnung bestimmt. EMRs habentypischerweiser eine Schockresistenz von nur 50 Gund eine funktionale Vibrationsresistenz von nur 20 G.

Die Ausrichtung der beweglichen Teile in einem EMR-Gehäuse kann bei einem Design mit EMRs sehr kom-pliziert sein. Die beweglichen Teile von Relais ver-schiedener Hersteller können eine um 90 Grad ver-drehte Wirkungsrichtung haben, was die Anwendung

Nachbar-Relais

GetestetesRelais

1. Die benachbarten Relais werden mit Nennspannung versorgt2. Der prozentuale Anstieg der Anzugs- und Abfallkraft des gestesteten Relais wird gemessen und verglichen mit den Werten benachbarter Relais ohne magnetischen Einfluss.

0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70

Mittlerer Abstand zu benachbartes Relais[Inches]Pr

ozen

tual

e An

stie

g de

r Anz

ugs-

und

Abf

allk

raft 10%

7.5%

5%

2.5%

0%


Anwendungs-Note: AN-145DEin Schock empfindlicher Umgebung ganz erheblich er-schwert.

SSRs haben im Gegensatz dazu keine beweglichenTeile und sind daher nicht empfindlich gegenüber phy-sikalischem Schock oder Vibration. Tests mit IXYS ICDSSRs haben eine funktionale Schockresistenz bis zu500 G bei einem Zeitintervall von 0,5 Millisekunden er-geben. Dabei hat die Ausrichtung bei der Montagekeinen Einfluss auf die Schockresistenz.

6.4 Randbedingungen bei der Herstellung6.4.1 Kosten bei Mischbestückung

Bei SMT-Schaltungen können EMRs in bedrahteterBauform oder durch die Notwendigkeit der manuellenBestückung, auf Grund der verschiedenen Technolo-gien zu höheren Kosten führen.

Fertigungskosten können umfangreich variieren. EinigeHersteller nehmen Bestückungskosten in Höhe von 1bis 3 Cent pro SMD-Bauelement bei automatischer Be-stückung an. Alle IXYS ICD SSRs sind SMD-Bauele-mente. Viele EMRs sind im Gegensatz hierzu bedrahtetund benötigen gebohrte Leiterplatten oder manuelleBestückung. Ein nachträgliches manuelles Verlötenkostet zwischen $0,15 und $1,00 pro Bauelement.

Oft wird dies von Entwicklern übersehen, die nur aufdie Kosten für die einzelnen Bauteile achten, anstattauf die Gesamtkosten; SSRs können bei SMT-Designsdie Herstellkosten erheblich senken.

6.4.2 Einschränkungen bei SMT-EMRs bei derReflow-Lötung

Auch wenn oberflächenmontierbare EMRs eingesetztwerden können, kann es aus mehreren Gründen bes-ser sein bei Reflow-Lötprozessen SSRs einzusetzen.

EMRs sind wegen ihrer Federn, Anker, Spulen und derim Gehäuse eingeschlossenen Luft weit mehr empfind-lich gegenüber Einwirkung der Hitze während des Re-flow-Lötprozesses. IXYS ICD’s OptoMOS SSRs weisenkeine beweglichen Teile auf und sind bestens geeignetfür Reflow- wie auch Wellenlötprozesse. IXYS ICDempfiehlt IPC9502, Stufe 7 als Grenze für den Lötpro-zess. IXYS ICD’s OptoMOS SSRs können auf beidenLeiterplattenseiten bestückt und für kurze Zeit inflüssiges Lötzinn eingetaucht werden. Ebenso istIXYS ICD’s LCAS kompatibel zu den Standard-Lötpro-zessen in der Industrie.

Bei kleinen, leichten Komponenten wie ICs, ist einselbständiges Ausrichten der Bauteile während desReflow-Lötens zu beobachten, falls es mal zu kleinenPositionierungsfehlern gekommen ist. Indessen trittdieser Effekt nicht bei großen elektromechanischenBauteilen wie EMRs auf. Diese müssen immer präziseauf ihre Lötpads positioniert werden.

Wenn SMT-EMRs während der maschinellen Bestük-kung mechanischem Stress durch den Bestückungs-kopf ausgesetzt sind, kann deren spezifizierteLeistung nicht garantiert werden. Darüber hinausverlangen bedrahtete EMRs zumeist manuelleBestückung. Bei einem bedrahteten IC sind die An-schlusspins um etwa 5 bis 10 Grad nach außen gebo-gen. Wenn nun dieses IC vom Bestückungskopfaufgegriffen wird, passen sich die Anschlüsse auto-matisch dem Zwischenraum an und dann wirdbestückt. Da EMRs am Gehäuse und nicht an den An-schlusspins angepackt werden, müssen sie handbe-stückt werden. EMRs sind oft die höchsten Bauteileauf der Leiterplatte. Dies kann auch zur Überhitzungdes Gehäuses und zur Abschattung von anderenBauteilen führen.

6.4.3 Zuverlässigkeit und AusfallratenWenngleich schwer in Zahlen auszudrücken – unddarüber ist man sich in der Industrie einig – führenmanuelle Prozesse und verschiedene Technologienbei Herstellern von gedruckten Schaltungen zugeringer Prozessgüte, die sich in höheren Ausfallratenbzw. geringerer MTBF-Zeit äußern.

Deshalb können mit SSRs, die keine Mischtechnolo-gie im Herstellungsprozess benötigen, eine höhereZuverlässigkeit und geringere Ausfallrate erzieltwerden.

7. Vorteile von SSRs bei Eingang/Ausgang-Isolation

Bei Anwendungen, die eine hohe Eingang/Ausgang-Isolationsspannung benötigen w.z.B. analoge Telefon-schnittstellen, stellen SSRs die bessere Lösung dar.Dieser Abschnitt stellt SSR- und EMR-Isolationgegenüber.

IXYS ICD OptoMOS SSRs werden zu 100% bezüglichihrer Eingangs/Ausgangs-Sperrspannung (input-to-output breakdown voltage = IOBDV) hin überprüft.


Anwendungs-Note: AN-145DEDiese beträgt mindestens 1500 Veff für 60 Sekundenbei den 4-Pin SSRs. Alle anderen IXYS ICD SSR Pro-dukte sind für 3750 Veff oder 5000 Veff für 60 Sekundenspezifiziert.

Bei EMRs wird die Eingangs/Ausgangs-Isolation meis-tens als Isolationswiderstand angegeben. Hierbei wirdder Widerstandswert zwischen allen isolierten Berei-chen des Relais angegeben. Dieser Wert beinhaltet dieIsolation zwischen Spule und deren Anschlüssen, überdie offenen Kontakten und von den Kontakten zu demKern oder Rahmen auf Massepotential. Wegen derkonstruktiven Einschränkungen (d.h. Kontaktabstand)und dem verwendeten Material werden EMRs grund-sätzlich nur für 1000 Veff spezifiziert.

8. AusfallratenAlle elektronischen Bauteile haben bestimmte Ausfall-raten. EMRs mit ihren beweglichen Teilen, Kontaktflä-chen, den gewickelten Spulen, haben generell höhereFehlerraten innerhalb einer bestimmten Zeit als SSRs.Darüber hinaus wurde die Zuverlässigkeit von SSRs,bezogen auf LED und Teile der Optoisolation, in denvergangenen Jahren immer weiter verbessert.

8.1 Optokoppler LebensdauerIn der Vergangenheit wurden für die Isolation diskreteund gekapselte optoelektronische Bauteile verwendet,die sowohl Probleme bei der Fertigung und auch mitdem Drift der elektro-optischen Parameter über der Zeithatten. Diese Probleme verleitete viele dazu anzu-nehmen, die LED basierenden SSRs würden mit derZeit verschleißen. IXYS ICD SSRs jedoch zeigen beiPrüfung der optischen Komponenten MTBF-Werte derLEDs von 290.875 Stunden, entsprechend 33,2 Jahren,bei 90% Funktionsrate. Diese Kalkulationen basierenauf einem LED Strom von 10 mA.

Tests mit dem Fotodetektor zeigten Lebenserwartun-gen in höheren Größenordnungen, so dass der limitie-rende Faktor eines SSRs die Zuverlässigkeit der LEDist.

8.2 EMR KontaktabnutzungDie Kontakte sind die wichtigsten Komponenten ineinem EMR, wenn es um die Zuverlässigkeit geht.Deren Eigenschaften werden bestimmt von Faktorenwie Kontaktmaterial, den angelegten Spannungen und

Strömen, die Art der Last, die Schalthäufigkeit, dieUmgebungsbedingungen, die Kontaktanordnung unddas Kontaktprellen. Wenn nur ein einziger dieserWerte außerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt,können Probleme wie Metallerosion bei denKontakten, Kontaktverschmelzung, Alterung oder einplötzlicher Anstieg des Kontaktübergangswiderstandsauftreten.

Die Kontaktabnutzung hängt von der Lastcharakteri-stik ab. Stromspitzen entstehen während des An- undAusschaltens von belasteten Kontakten. Gleichspan-nungen sind insbesondere störend, weil es keinenNulldurchgang des Stromverlaufs gibt wie bei Wech-selspannungen. Wenn sich erst einmal eine Strom-spitze gebildet hat ist es schwierig diese wieder aus-zulöschen. Größe und Zeitdauer der Stromspitze kön-nen zu ernsthaften Kontaktschäden führen. DerStrompuls beim Schließen wie auch beim Öffnen desKontakts hat erheblichen Einfluss auf die Kontakt-lebensdauer.

Gleichstromlasten stellen zudem zusätzlich Problemefür EMRs dar, da positive- und negative Kontaktspan-nung nicht wie bei Wechselspannungen alternieren.Dadurch kommt es zu einem einseitigen Material-transfer auf den Kontaktflächen, die eine Materialan-häufung auf dem einen und ein Tal auf dem anderenKontakt verursachen. Dies führt zur Verschlechterungdes Kontaktübergangswiderstands, zu Frühausfällenoder zu Kontaktverschweißung.

Die Tabelle “Einschaltstrom und Lasttyp” auf Seite 7zeigt verschiedene Lasttypen und den entsprechen-den Pulsstrom, dem ein Relais beim Schalten dieserLasten ausgesetzt ist. Bei komplexen Lasten kann derEinschaltstrom beim Schließen des Kontakts großgenug sein, um beträchtlichen Kontaktabbrand zubewirken und den Kontakt sogar an manchen Stellenzum Schmelzen bringen. Daher empfehlen die EMR-Hersteller die Verwendung von Kontakt-Schutzschaltkreisen.

Dieser Schutzschaltkreis verteuert die EMR-Lösungund verbraucht wertvolle Leiterplattenfläche, die fürandere Produktmerkmale genutzt werden könnte.


Anwendungs-Note: AN-145DETabelle 2: Einschaltstrom und Lasttyp

Lasttyp Einschaltstrom

Resistiv Dauerstrom

Motor 5- bis 10-facher Dauerstrom

Glühlampe 10- bis 15-facher Dauerstrom

Quecksilberlampe bis zum 3-fachen Dauerstrom

Natriumdampf-Lampe 1- bis 3-facher Dauerstrom

Kapazitiv 20- bis 40-facher Dauerstrom

Übertrager 5- bis 10-facher Dauerstrom

Kontaktverschmelzung kann sowohl durch Einwirkungvon großen Stromstärken oder Vibration entstehen,genau wie bei der durch Vibration bewirkten Kaltver-schmelzung von Goldkontakten.

Weil SSRs keine Kontakte haben, treten keine der zu-vor bei EMRs beschriebenen Probleme auf.

Das Nichtvorhandensein von Kontakten und beweg-lichen Teilen bedeutet, dass Pulsbelastung kein Themaist und SSRs sich nicht abnutzen. Die Kontakte könnenbei manchen Großrelais zwar ausgetauscht werden,jedoch ist dies nicht praktikabel bei Kleinsignalrelais aufgedruckten Leiterplatten.

8.3 Weitere EMR-AusfallursachenHochohmige- oder kurzgeschlossene Spulen könnenebenso Ursache für EMR Ausfälle sein. Spulenkurz-schlüsse können auftreten, wenn zu viel Hitze dieSpulenisolation schmilzt. Hochohmige Spulen könnenentstehen, wenn die Spule Überspannungen oder –strömen ausgesetzt ist.

Die EMR-Ansteuerung kann selbst ausfallen und istTransienten der Spule ausgesetzt. SSRs können direktaus Logikschaltungen getrieben werden, weitere Trei-berstufen sind nicht erforderlich.

Wechselstrom-SSRs haben den Vorteil ausschließlichbeim Nulldurchgang der Lastspannung ein- und auszu-schalten, was Störungen reduziert.

9. SSR Lösungen für EMR Schwachpunkte9.1 Kontaktprellen und LichtbogenentstehungDie gesamte Prellzeit bei EMRs ist der Zeitraum vomersten bis zum letzten Schließen bzw. Öffnen desKontakts, während des Umschaltens in die jeweils an-dere Position. Prellen bewirkt kurze Unterbrechungen,ist schädlich für die Kontaktlebensdauer und iststörend in Anwendungen bei denen Pulse gezähltwerden. In diesen Fällen führt Prellen zu Falsch-zählungen, da die Kontakte innerhalb der gesamtenPrellzeit den Schaltkreis öffnen und schließen.Kontaktprellen tritt nicht bei SSRs auf, da diese aufHalbleitern basieren und keine Kontakte haben, dieprellen könnten.

Typische Anwendungen, bei denen Prellen und Licht-bogenentstehung Probleme bereiten, sind Applikatio-nen die Daten auswerten. Bei EMRs muss eineWartezeit vorgesehen werden, um Falschmessung inFolge von Kontaktprellen zu vermeiden. Oft wird einSicherheitsintervall von 10 ms benutzt.

Kontaktprellen ist auch ein Problem in Applikationendie Spannungssprünge zählen, wie Messgeräte undZähler. Kontaktprellen verursacht falsche Anstiegs-spitzen, die die Genauigkeit der Zählung vermindern.

Abbildung 4: EMR Kontaktprellen

Abbildung 4 zeigt die Relation zwischen Ansprechzeitund Kontaktprellzeit bei EMRs. Die Ansprechzeit istdefiniert als diejenige Zeit, die zwischen Einschaltender Spule und ersten Schließen des gewöhnlichoffenen Kontakts vergeht. Bei mehrpoligen Schalternendet die Ansprechzeit nach dem ersten Schließendes letzten Schaltkontakts. Die Prellzeit ist nicht in derAnsprechzeit enthalten. Ein Entwickler kann dieBetätigungszeit durch Übersteuerung verringern.

SpulenspannungPrellzeit

Reaktionszeit

Lastspannung


Anwendungs-Note: AN-145DEWährend dies die Ansprechzeit verringern kann, führtdie zusätzliche Schließenergie zu einer längeren Prell-zeit und einer höheren Anzahl von Prellungen. Umge-kehrt kann Kontaktprellen durch Verringerung derSpulenenergie auf Kosten der Ansprechzeit reduziertwerden. Da jeder Prellvorgang die Last an- und aus-schaltet, verkürzt sich die Kontaktlebensdauer signifi-kant. Mit der folgenden vorgeschlagenen Schaltungkann Kontaktprellen eliminiert werden.

Abbildung 5: Schaltung zur Kontakt-Entprellung

Diese Bauteile können das EMR-Design bis zu $0,25verteuern, Leiterplattenkosten nicht inbegriffen. DaSSRs die Ausgangslast mit MOSFETs anstelle vonbeweglichen Teilen schalten, gibt es kein Kontaktprel-len, wodurch keine Kompensation erforderlich ist.

Bei EMRs kann man das Kontaktprellproblem durchEinsatz von flüssigen Quecksilberkontakten beseitigen,was aber eine Einschränkung bei der Ausrichtung ge-genüber der Erdanziehungskraft aufzwingt. Danebengibt es andere Überlegungen beim Einsatz vonflüssigen Quecksilberkontakten – die Umgebungsein-flüsse und die Kosten. Quecksilber ist ein extrem ge-fährlicher Stoff. Quecksilber-Relais sind deswegenkeine praktikable Lösung für das Kontaktprellen. ImGegensatz hierzu können SSRs in jeder beliebigenLage montiert und betrieben werden und sind weitmehr umweltfreundlich.

9.2 Elektrische LebenserwartungDie größte elektrische Lebensdauer eines EMR ent-spricht der maximal zulässigen Schaltanzahl bei einerspezifizierten Last unter spezifizierten Bedingungen,mit einer Ausfallsicherheit von 95%.

Das Lebensdauerende ist definiert als diejenigeSchaltanzahl, bei der sich der veranschlagte Kontakt-

übergangswiderstand verdoppelt hat. Viele EMR-An-bieter erweitern diese Angabe durch Spezifizierungdes 100 Milliohm-Wertes, während der tatsächlicheWert näher bei 15 Milliohm liegt. Die elektrischeLebensdauer wird gewöhnlich mit 100.000 bis500.000 Schaltoperationen spezifiziert.

EMRs funktionieren typischerweise nur bis zu etwa100.000 Schaltoperationen zuverlässig. Weil die EMRLebensdauer von der Lastcharakteristik abhängt, istdie einzig verlässliche Methode die tatsächlicheLebensdauer im Schaltkreis unter den gegebenenLastbedingungen zu ermitteln. Zweipolige Relais kön-nen Schaden nehmen, wenn Metallstaub vom erstenKontakt Ausfälle am zweiten Kontakt bewirken, beson-ders bei Lasten wie Lampen (Einschaltstromspitze)und wenn Schaltlasten über verschiedene Quellenversorgt werden.

SSR-Datenblätter spezifizieren keine elektrische Le-bensdauer wie EMRs. Im Unterschied zu EMRs, beidenen die Lebensdauer von der tatsächlichen Lastund der Anzahl der Schaltoperationen abhängt, wirddie Zuverlässigkeit bei SSRs von der Anschaltzeit be-stimmt und nicht von der Anzahl der Schaltoperatio-nen. Wenn SSRs innerhalb der Spezifikationbetrieben werden, kann die MTBF 19 MillionenStunden überschreiten.

9.3 LeistungsaufnahmeBei EMRs muss erst die Spule eingeschaltet werden,bevor ein Schaltvorgang stattfinden kann. DieseSpulenenergie muss vorhanden sein, um den Kontaktin der gewünschten Position zu halten. Üblicherweisekonsumiert eine EMR-Spule 80 mW Leistung. DieSituation ist beim SSR gleich; die LED muss miteinem Dauerstrom versorgt werden, jedoch ist dieAufnahmeleistung wesentlich niedriger, im Bereichvon 3 mW. Folglich verbraucht ein EMR 25-mal mehrEnergie als ein SSR. Geringere Leistungsaufnahmeführt zu geringerer Abwärme, was Designern oft zuzusätzlichen Einsparungen verhilft. SSRs könnendaher auch weit enger platziert werden, weil sieweniger Wärme erzeugen. Damit kann auch dieSpannungsversorgung kleiner und günstiger realisiertwerden.

Es ist zwar möglich Stromstoßrelais zu verwenden,um Anforderungen an die Leistungsaufnahme in denGriff zu bekommen, jedoch können diese Relais beiVibration, mechanischer Beanspruchung oder Hitzeden Kontakt lösen. Das zwingt den Designer dazu,

100kOhms

100kOhms

(H)L1

2

H4(L)

(L) H4

(L)H3

L6(H)

Q H→H

Q H→L


Anwendungs-Note: AN-145DEeine Reset-Schaltung zu ergänzen, die das Relais dannwieder in einen definierten Zustand versetzt.

Es gibt zwei Zustände die eine Reset-Schaltung erfor-dern, “Startup” und nach kurzem Stromausfall. DieseZustände sind mitunter verschieden zu behandeln undsie machen die EMR Applikation teurer und komplexer.

9.4 Geringere Leistungsaufnahme bei SSRsBei EMRs ist die Leistungsaufnahme größer als diereine Betätigungsenergie, da eine Reserve vorzusehenist, die Abnutzung, Umgebungseinflüsse undFertigungstoleranzen berücksichtigt. Bei Halbleiter-schaltern entspricht sie der Betätigungsenergie zuzüg-lich Sicherheitsreserve. So ist z.B. die minimaleLeistungsaufnahme bei einem EMR 80 mW, währendein SSR nur etwa 3 mW verbraucht.

9.5 Geringere Spannungsanforderungen bei SSRsDa ein SSR weder eine Spule anregen noch Kontakteöffnen muss, wird eine geringere Spannung benötigt,um SSRs ein- und auszuschalten. EMRs werden ausSpannungsquellen von 5 bis 48 V= versorgt, SSRskönnen im Gegensatz hierzu bereits ab 1,5 V= betrie-ben werden.

9.6 Direkte Ansteuerung durch TreiberlogikWeil sie wenig Treiberleistung und –spannung benöti-gen können SSRs direkt von Logik-ICs, w.z.B. 74xxx-Typen, oder Mikrocontrollern betrieben werden, wo-durch weitere Ansteuerelektronik eingespart werdenkann.

EMRs benötigen Spulenspannungen, die die Treiber-fähigkeiten von Logik-ICs bei weitem übersteigen.Folglich werden zusätzliche Bauelemente benötigt,damit EMRs von Logik-ICs angesteuert werdenkönnen. Die Schaltung unten zeigt diese zusätzlicherforderlichen Bauteile, die ein EMR an eine digitaleSchaltung anpasst. Vier zusätzliche Bauteile werden fürdie Anpassung des EMR Designs benötigt, um derenunliebsamen Eigenschaften zu kompensieren.

Abbildung 6: SSR und EMR Ansteuervergleich

Wegen diesen Nachteilen müssen Entwickler die ge-bräuchlichen Kompensationspraktiken anwenden.Durch die Eingangsspule entsteht bei allen EMRs eininduktiver Stromspike beim Ausschalten, dem auchdie empfindlichen Ansteuerbauelemente ausgesetztsind. Der Spike kann gewöhnlich die Ansteuer-schaltung zerstören, wenn er nicht richtig unterdrücktwird. Um dieses Risiko auszuschließen, muss dieSpule mit einer “schnellen” Diode beschaltet werden.

Im unteren Schaltkreis wird die EMR-Spule durch Q1angesteuert, der von einem Gatter getrieben wird.Wenn Q1 ausgeschaltet wird um das Relais zu deakti-vieren, wird der entstehende induktive Spike über dieDiode D1 abgeleitet. Bei SSRs ersetzt eine einfacheLED diese Spule, wodurch Schutzdiode und Treiber-transistor überflüssig werden. Es wird nur ein einzigerWiderstand benötigt, um den LED-Strom zu be-grenzen.

PV

RLimit

Zur Last

VCC

SSR

D1

Q1

R2

R1

C1

SNxxxx

EMR

Zur Last

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Anwendungs-Note: AN-145DE10. Tatsächliche Kosten der geringeren EMR

ZuverlässigkeitBei Anwendungen führt die geringere Ausfallsicherheitvon EMRs zu höheren Produkt-Lebensdauer Kosten.Dieser Abschnitt beschreibt die Ausfallsicherheit vonSSRs gegenüber EMRs in Form von MTBF-Werten undbezieht die Kosten ein.

Die zu diesem Vergleich herangezogenen MTBF-Wertestammen aus “Telcordia Zuverlässigkeitsermittlung fürelektronisches Equipment, TR-332.”

Die Telcordia Zuverlässigkeitsvorhersagen konzentrie-ren sich auf elektronisches Equipment. Es kann fürhandelsübliche Bauelemente Vorhersagen auf Bau-teilebene, Systemebene oder Projektebene machen.Telcordia benutzt drei Methoden für die Produkt-Zu-verlässigkeitsvorhersage.

• I. Bauelementeanzahl• II. Bauelementeanzahl kombiniert mit Labordaten• III. Vorhersagen basierend auf Feldversuchen

Bei IXYS ICD wird Methode I und Methode II zur Ermitt-lung der Produkt-MTBF-Werte herangezogen. Im fol-genden Beispiel wurden die MTBF-Werte bei einemLebensdauertest unter erhöhten Temperaturen nachMethode II ermittelt.

Es besteht eine bedeutungsvolle Relation zwischenZuverlässigkeit und Kosten. Bei EMRs treten Feldaus-fälle auf, dabei ist die Ausfallhäufigkeit proportional zuder erwarteten Fehlerhäufigkeit. Die geringste Fehler-häufigkeit ergibt die geringste Ausfallhäufigkeit. Mankann die Zusatzkosten bei einem Relais berechnen, in-dem man die Kosten der erwarteten Ausfälle über des-sen angegebener Lebensdauer ermittelt. Das Beispielin Tabelle 3 vergleicht ein einpoliges EMR mit einemeinpoligen SSR (LCA110).

Die Lebenserwartung des EMRs beträgt gemäß denAngaben des Datenblatts 900.000 Betätigungen. Mitden gegebenen Daten würde es einen Ausfall geben,wenn man 100 Relais unter der vorgegebenen Lastbe-dingung 900.000 mal betätigt. Die Zuverlässigkeit einesSSRs ist nicht über die Schalthäufigkeit definiert, son-dern vielmehr als Gesamtlebensdauer. In Folge davonist die Schalthäufigkeit nicht eingeschränkt. In diesemBeispiel wurden 5 Millionen Schaltzyklen für den Ver-gleich zu Grunde gelegt.

Man kann die Ausfallhäufigkeit pro 10.000 Betätigun-gen errechnen. In diesem Beispiel sind die Anschaf-fungskosten der Relais gleich und Kosten pro Fehlerbetragen $100. Die Fehlerkosten können bei Equip-ment bestimmt werden, die im Feld repariert werden,jedoch sind sie schwer zu beurteilen, wenn Unbe-kannte wie Umsatzausfall und Kunden-Unzufrieden-heit einbezogen werden sollen. Sind bei einerAnwendung Stückzahl und Betätigungsanzahlvorgegeben, ist es einfach die Zusatzkosten einesRelais zu berechnen.

Tabelle 3: Lebenserwartung - Kostenvorteil bei SSRs

Kostenfaktor EMR LCA110SSR

Lebenserwartung bei 250 V, 120 mA,resistive Last, Anzahl Betätigungen 900.000 5 Mio.

01lhaznarelheF

Ausfallhäufigkeit pro 10.000Betätigungen 0,01% 0%

7,0$7,0$netsoklietuaB

001$001$netsokrelheF

Erwartete Betätigungszahl 100.000 100.000

Zusatzkosten (Fehlerkosten x Fehlerpro Betätigung x Betätigungsanzahl) $1 $0

Benutzungsgrad (Benutzungsdauer /Gesamtlebenserwartung) 11% 2%

Bereinigte Zusatzkosten(Benutzungsgrad x Zusatzkosten) $0,11 $0,00

Bereinigte tatsächliche Kosten(Einkaufspreis + Zusatzkosten) $0,61 $0,50

Benutzungskosten bei 100.000 Relais(bereinigte tatsächliche Kosten xAnzahl gekaufter Relais)

$61.111 $50.000

Zuverlässigkeits-Kostenvorteil derSSR Lösung $11.111

Der Benutzungsgrad multipliziert mit den Ausfall-kosten ergibt die anfallenden Zusatzkosten. Das allesspiegelt die Zusatzkosten pro Relais wieder, dieunmittelbar der geringeren Zuverlässigkeit einer EMR-Lösung zugeschrieben werden können. Addiert mandie Zusatzkosten zu dem Relais-Einkaufspreisergeben sich die bereinigten, tatsächlichen Kostendes Relais. Multipliziert man dies nun mit der Anzahl


Anwendungs-Note: AN-145DEder gekauften Relais und zieht den Einkaufspreis ab,erhält man die Zusatzkosten die auf der geringerenZuverlässigkeit beruhen. Diese Kosten können beimKunden oder beim Hersteller entstehen, abhängig vonden jeweiligen Garantievereinbarungen, die für dasEndgerät gelten.

11. Relais Zuverlässigkeits-Vergleiche verstehenlernen

Bei EMRs bestimmt die Anzahl der mechanischen Be-tätigungen und die damit verbundene Kontaktabnut-zung den Verschleiß und die Fehlfunktion. MTBF-Wertesind bei EMRs weniger gerechtfertigt, weil die Betäti-gungsanzahl die Lebensdauer in großem Maß be-stimmt.

SSRs hingegen haben keine beweglichen Teile odersich abnutzende Kontakte. Die Betätigungsanzahl hatkeinen Einfluss auf SSR Fehlfunktion, nur die Gesamt-einschaltdauer geht in den MTBF-Wert ein.

Bei einer vorgegebenen EMR-Anwendung kann die fol-gende MTBF-Gleichung angewendet werden, wenn dieBenutzungsdauer bekannt ist:

MTBF = Zyklusdauer/Betätigungen pro Stunde

Bei SSR-Anwendungen wird der MTBF-Wert gewichtetmit der Einschaltdauer der Applikation, gegeben als:

MTBF = 100% MTBF/Benutzungszeit

Beispielsweise würden sich bei einer Anwendung mit50% Einschaltzyklus die MTBF-Werte für 100% Ein-schaltdauer verdoppeln. Zu Vergleichszwecken kanndie folgende Gleichung verwendet werden:

EMR Zyklusdauer / Betätigungen pro Stunde = 100%SSR-MTBF / Einschaltdauer

Im Falle eines echten Vergleichs müsste ein EMR das3600 mal pro Stunde mit einer Zyklusdauer von 10%geschaltet wird 698.400.000.000 Betätigungen errei-chen, um mit dem MTBF-Wert von IXYS ICD’s LCA110SSR gleichzuziehen.

12. SchlussfolgerungDiese Anwendungs-Note hat die Überlegenheit derHalbleiterrelais gegenüber elektromechanischenRelais in etlichen Bereichen aufgezeigt.Zusammengefasst haben SSRs folgende deutlichenVorteile gegenüber EMRs:

• Geringere Benutzungskosten• Direkt ansteuerbar durch Logik-ICs• Geringere Leistungsaufnahme• Geringere Betriebsspannung• Höhere Zuverlässigkeit• Längere elektrische Lebenserwartung• Höhere Eingangs-/Ausgangsisolation• Kein Kontaktprellen oder Lichtbogenentstehung• Keine Schaltgeräusche• Kleinere Abmessungen• Geringere Schock- und Vibrationsempfindlichkeit• Erzeugen keine Magnetfelder oder elektrische

Störungen• Einfacher einzusetzen bei SMT-

Leiterplattenfertigung

13. IXYS IC Division Design-HilfsmittelDie IXYS ICD Internet-Seite enthält eine Fülle von Infor-mationen, die bei der Schaltungsentwicklung mitIXYS ICD Produkten hilfreich sind, inklusiveApplikations-Noten und Referenzschaltungen. Auchdie Produktdatenblätter enthalten zusätzliche Anwen-dungs- und Designinformationen. Man beachte die fol-genden Verweise:

• Solid-state Relays• Line-card Access Switch Products• Master Product Selector• Solid-state Relay Parametric Selector• Application Note 100 Design Surge and Power Fault

Protection for Subscriber Line Interfaces• Application Note 108 Current Limited Solid-State

Relays• Application Note 144 Impulse Noise Benefits of Line

Card Access Switches

13.1 Fremde Design-HilfsmittelFolgendes Handbuch enthält auch viele nützlicheInformationen für SSR-Schaltungen:Engineer’s Relay Handbook, Fifth Edition, NationalAssociation of Relay Manufacturers, Milwaukee,Wisconsin, USA, 1996.


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Speci�cation: AN-145DE-R03

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