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Halbleiterrelais: Was sind das?

Veröffentlicht am 24.02.2026
  • SSR (Halbleiterrelais ):

In der industriellen Automatisierung gibt es viele Arten von Relais, darunter die sogenannten „ FESTSTOFFRELAIS” oder häufiger als „SSR” (SOLID STATE RELAY) bezeichnet werden. Warum ist dieser Relais-Typ so begehrt und verbreitet? Um dies herauszufinden, müssen wir zu den historischen Anfängen des „elektromechanischen Relais” zurückkehren und seine primäre und wesentliche Funktion, seine Funktionsweise, verstehen.

EIN WENIG GESCHICHTE

Das heute bekannte elektromechanische Relais wurde zu Beginn des 19. Jahrhunderts erfunden, als im Jahr 1825 ein US-amerikanischer Erfinder und Wissenschaftler namens Joseph Henry die Funktionsweise des Elektromagneten von Sturgeon verbesserte und perfektionierte.

Henry nutzte nämlich das von seinem Kollegen Sturgeon entdeckte Prinzip, nämlich die Tatsache, dass ein elektrischer Strom, der durch einen leitenden Draht fließt, ein Magnetfeld erzeugt; wird dieser Draht dann spiralförmig um eine Eisenstange gewickelt, verstärkt sich das Magnetfeld noch und verleiht der Stange eine „Anziehungskraft” gegenüber jedem anderen eisenhaltigen Gegenstand. Das ist das Prinzip des elektromagnetischen Magneten.

Was macht Henry mehr als sein Kollege Sturgeon?

Die Verbesserung, die Henry an diesem Gerät, das sein Kollege Sturgeon erfunden hat, besteht lediglich darin, einen Leiterdraht mit einer Isolierschicht zu überziehen , um so (ohne Kurzschlüsse zu verursachen) möglichst viele Windungen um den Eisenkern zu wickeln und wodurch die Intensität des erzeugten Magnetfelds exponentiell erhöht wird und die daraus resultierende „Anziehungskraft” des Eisenkerns innerhalb der Spulen erzeugt wird.

  • Erfindung des ELEKTROMECHANISCHEN RELAIS
An diesem Punkt beobachtete Henry das Verhalten des Magneten, nämlich die Eigenschaft, eine „Anziehungskraft” auf ein anderes Objekt aus leitfähigem Metallmaterial auszuüben, und erkannte, dass er die Eigenschaft hatte, eine „Anziehungskraft” auf ein anderes Objekt aus leitfähigem Metallmaterial auszuüben.

An diesem Punkt beobachtete Henry das Verhalten des Magneten, nämlich die Eigenschaft, eine „Anziehungskraft” auf ein anderes Objekt aus leitfähigem Metallmaterial auszuüben, und erkannte, dass man diese Kraft nutzen konnte, um damit eine weitere mechanische Vorrichtung zu betätigen, die wiederum einen gewöhnlichen Stromkreis aktivieren konnte. Dazu war eine Anziehungskraft erforderlich, die in der Lage war, diese beiden Teile des Systems (Hebel + Kontakt) zu „bewegen”, was jedoch für Henry kein Problem darstellte, da er herausgefunden hatte, wie man (auf sichere Weise) die vom Magneten entwickelte Anziehungskraft erhöhen konnte.

Nachdem er das Prinzip verstanden hatte, setzte er seine Idee in die Realität um. Er verband den Magneten (Spule), der von einem unabhängigen Stromkreis gespeist wurde, mit einer Art metallischem „mechanischem Hebel” ( (Armatur) hinzu, die auf die vom Magneten selbst erzeugte Anziehungskraft reagieren würde, sobald dieser mit Strom versorgt würde. An diese „Armatur” verband er mechanisch ein System von „Kontaktenelektrischen, die „geschlossen” wurde, wenn die damit verbundene Armatur, angeregt durch die Anziehungskraft der Spule, den Kontakt buchstäblich vom geschlossenen Pol zum „offenen” Pol verschob und folglich „wieder öffnete”, sobald die Spule nicht mehr mit Strom versorgt wurde und ihre Anziehungskraft gegenüber der Armatur verlor Armatur verlor, wodurch der elektrische Kontakt in seine ursprüngliche Ruhestellung zurückkehrte. Wie man sieht, tauchen hier Begriffe auf, die uns bekannt sind, wie „SPULE”, „ANKER” und „ELEKTRISCHER KONTAKT” auftauchen, also die Namen, die die drei grundlegenden Komponenten des gemeinsamen RELAIS darstellen.

Das elektromechanische Relais wurde erfunden.

  • Die „Nachteile” klassischer elektromechanischer Relais

Wir haben das Funktionsprinzip des klassischen elektromechanischen Relais kennengelernt, das vor etwa 200 Jahren vom US-amerikanischen Wissenschaftler Joseph Henry entdeckt wurde:

- Ein Bauteil (SPULE) , die von einem bestimmten Strom aus einem ersten Stromkreis gespeist wird, schließt oder öffnet über einen mechanischen Hebel (ARMATURA) einen ELEKTRISCHEN KONTAKT, der wiederum von einem zweiten Stromkreis durchflossen/gespeist wird und so in der Lage ist, eine damit verbundene Vorrichtung elektrisch zu steuern.

Aus diesem Zusammenhang lässt sich leicht ableiten, dass der Mechanismus, obwohl er einfach funktioniert, einen erheblichen mechanischen Verschleiß erheblichen mechanischen Verschleiß mit sich bringt, da der bewegliche Teil, der durch die sich bewegende Armatur dargestellt wird, selten brechen kann, wenn das Relais wenig genutzt wird, aber gleichzeitig häufig brechen kann, wenn es häufig bewegt wird. Eine weitere Schwachstelle des klassischen Relais ist die Festigkeit der Spule beim Durchgang des Steuerstroms; wenn diese schlecht kalibriert ist oder das Relais häufig verwendet wird, wodurch tatsächlich viel Strom , kann diese überhitzen und einen Kurzschluss verursachen, wodurch der Betrieb des gesamten Relais unterbrochen wird .  

  • Relais mit (SSR ); Funktionsweise und Hauptunterschied zu klassischen elektromechanischen Relais :

Wir befinden uns in den 60er/70er Jahren des letzten Jahrhunderts, als die industrielle Produktion exponentiell zu wachsen begann und immer fortschrittlichere Maschinen und Technologien erforderte.  Dank der Entstehung der „Transistoren” (1947) und der „Thyristoren” war es möglich, die elektrische Umschaltung ohne bewegliche mechanische Teile zu entdecken. Im Falle des „Halbleiterrelais” wird über einen „Optokoppler“, der Ausgangskontakt mit Strom versorgt, jedoch OHNE die Hilfe eines „beweglichen“ Teils, das den Ausgangskontakt öffnet oder schließt. Auf diese Weise werden alle Probleme im Zusammenhang mit mechanischem Verschleiß ausgeschlossen, da es keine beweglichen Teile gibt. Diese letzte Besonderheit stellt den Hauptunterschied zwischen einem elektromechanischen Relais und einem SSR-Relais dar.

  • Funktionsweise:

Das „Halbleiterrelais” besteht im Wesentlichen aus 3 Hauptteilen:

- Eingangsschaltung  

- Ansteuerschaltung

- Ausgangsschaltung

In der Eingangsschaltung wird die Steuerspannung an das Gerät angelegt, d. h. die Spannung, die den Befehl zum Antrieb des Geräts selbst gibt; sie wird normalerweise in einem Wertebereich von 3 Volt bis 32 Volt (DC oder AC) bereitgestellt.

Die Ansteuerschaltung ist der Teil der Schaltung, der den „Optokoppler” aktiviert, der wiederum den „Transistor” der Ausgangsschaltung aktiviert.

Die Ausgangsschaltung des Relais, bestehend aus einem Transistor, ist der Teil, der die sogenannten „Laststromversorgungen” aktiviert oder deaktiviert. Nachdem er das Signal vom Ansteuerkreis empfangen hat, schaltet sich der Transistor ein und ermöglicht so den Stromfluss zu der Last, die über die Ausgangskontakte des Relais daran angeschlossen ist.

Genauer gesagt kann man sagen, dass ein SSR-Relais aus drei internen Mikroschaltungen besteht, die wie folgt definiert sind :

  • Isolierung
  • Funktion
  • Trigger

Die erste Schaltung, die als „Isolierung” bezeichnet wird, isoliert die beiden Seiten des Relais elektrisch voneinander, d. h. die Steuerseite ( Kontrollseite) von der Lastseite. Diese Funktion gewährleistet die elektrische Isolierung zwischen den beiden Teilen. Die galvanische Isolierung des Relais wird mit Hilfe einer LED oder einer Infrarotdiode erreicht, um den Transistor auf der Lastseite (Trigger) zu aktivieren.

Es ist zu beachten, dass SSR-Relais vom Typ „AC“ einphasig und dreiphasig sein können und sich somit an alle Arten von Lasten anpassen.

 

  • KÜHLKÖRPER: Wozu dienen sie?

An dieser Stelle muss ein Exkurs zu bestimmten Zubehörteilen für SSR-Relais mit FESTSTOFFZUSTAND gemacht werden. Die Rede ist von den WÄRMESENKERN.

Ein SSR-Relais weist in der Tat zahlreiche Vorteile auf, wie wir im Vergleich zu einem klassischen elektromechanischen Relais gesehen haben, darunter: keine mechanische Abnutzung, hohe Strombelastbarkeit bei geringen Abmessungen, geräuschloser Betrieb, keine Lichtbögen zwischen den internen Komponenten.

Andererseits gibt es jedoch auch einige Nachteile wie die Überhitzung der internen Halbleiterkomponente (TRIAC), die insbesondere bei Lasten mit hoher Stromaufnahme zu einer erheblichen Überhitzung neigt. Wenn diese Wärme nicht richtig „abgeführt” wird, kann dies zu einer Überhitzung des Relais selbst führen, wodurch es zerstört und/oder sogar geschmolzen werden kann.

  • Wie kann man also dieses Problem verringern oder sogar vermeiden ?

Ganz einfach, indem man am Relais einen speziellen WÄRMESINK anbringen, der aus Metall besteht und die Besonderheit aufweist, die Wärme des Relais selbst abzuleiten. Oftmals wird diese Komponente bei der Anwendung eines SSR-Relais nicht berücksichtigt, aber es ist empfehlenswert, sie zu berücksichtigen, da sie die Lebensdauer des Relais erheblich verlängert.

  • Vorteile von SSR-Relais :

Die wichtigsten Vorteile eines SSR-Relais gegenüber einem klassischen elektromechanischen Relais sind folgende:

- Geräuschloser Betrieb

- Hohe Lebensdauer

- hohe elektrische Leistung bei geringen Abmessungen

- Schaltungen mit sehr hohen Frequenzen; 1/5 Millisekunden, im Vergleich zu 15 Millisekunden bei einem klassischen elektromechanischen Relais

  • Wann sollten SSR-Relais verwendet werden :

Relais mit „ FESTSTOFFZUSTAND“ werden hauptsächlich bei Lasten OHMSCHEN verwendet, bei denen eine hohe Schaltfrequenz und hohe Einschaltströme zu erwarten sind .

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