Bidirektional konstruiert

Energieeffizientes Halbleiterrelais ist lange haltbar

Rottweil (ABZ). – Zum Aktivieren von Zusatzscheinwerfern oder zum Ansteuern von Fensterhebern, Motoren oder der Heckscheibenheizung sind bspw. in Fahrzeugen eine Vielzahl an elektromechanischen Relais verbaut. Diese Schalter haben aufgrund der Abnutzung der elektronischen Kontakte jedoch eine geringe Lebensdauer und verbrauchen viel Energie, was beim Einsatz mehrerer Relais zu einer hohen Wärmeentwicklung in den Verteilersystemen führt. Der Austausch eines solchen Schalters durch ein modernes elektronisches Halbleiterrelais gestaltet sich indes oftmals schwierig, da ohne Schaltplan in den meisten Fällen nicht ersichtlich ist, wie das Relais in Bezug auf die Stromrichtung eingebaut werden muss. Um diesem Problem entgegenzuwirken, hat die Carsig GmbH nun ein elektronisches Solid State Relais (SSR) entwickelt, das den Ein- und Ausgang bidirektional ein- bzw. ausschalten kann. Anwender können daher ungeachtet der genauen Anordnung der Plus- bzw. Minus-Pole ein herkömmliches Halbleiterrelais durch ein neues ersetzen. Das Carsig-Halbleiterrelais lässt sich des Weiteren bereits ab 15 mA ansteuern, was die Verlustleistung und gleichzeitig den Energiebedarf minimiert.

"Bei herkömmlichen Relais mit Freilaufdiode muss immer ein elektrisches Potential festgelegt sein, was bei Relais ohne Diode oftmals nicht eingehalten wird. Plusspannung und Ausgang des Stroms sind also üblicherweise bereits im Voraus klar definiert", erklärt Thomas Kliem, Geschäftsführer der Carsig GmbH. Soll ein handelsübliches Relais durch ein moderneres Modell ersetzt werden, wurden daher bisher Informationen zur vorgegebenen Stromrichtung und zur Anordnung von Plus- und Minus-Polen benötigt, die lediglich der Original-Schaltplan enthält. "Es dauert mitunter sehr lange, diese Informationen aufzutreiben. Der Endkunde bzw. der Einkauf muss warten und kann in der entsprechenden Zeitspanne nicht einfach das alte Relais herausnehmen und durch ein neues ersetzen", so Kliem. Andernfalls bestehe das Risiko, durch einen falsch gelegten Ausgang einen Kurzschluss mit möglicherweise irreparablen Systemschäden zu verursachen.

Aus diesem Grund hat die Carsig GmbH nun ein Solid State Relais entwickelt, dessen Ansteuerung und Ausgang verpolbar sind. "Das Besondere an dem Schalter ist, dass der Halbleiter-Ausgang sowie die Ansteuerungsrichtung in beide Richtungen betrieben werden können", erläutert Kliem. Der Anwender müsse folglich nicht wissen, wo der Plus- oder Minus-Pol verbaut wurde bzw. an welcher Stelle der Ausgang positioniert ist; er könne das elektromechanische Relais ohne weitere Hintergrundinformationen eins zu eins durch das elektronische Halbleiterrelais austauschen. "Unsere Grundidee war, dass Ansteuerungsrichtung und Ausgänge bidirektional konstruiert sein müssen. Steuer- und Lastkreis sind in sich verpolbar – mit der Folge, dass Strom in beiden Richtungen fließt und Spannung überall angelegt werden kann. Das Halbleiterrelais ist somit universal einsetzbar, was im Automotive-Bereich bisher einzigartig ist", so Kliem.

Dieser Umstand bietet zudem Fahrzeug-Herstellern die Möglichkeit, das Relais bereits in der Entwicklung der Serie vorzeitig einzuplanen und in den Schaltplan zu integrieren. Neben der Zeitersparnis durch den wegfallenden aufwändigen Austausch der Relais könnten dank des niedrigen Stromverbrauchs des Carsig-Halbleiterrelais auch Folgekosten vermieden werden, so das Unternehmen. Denn die Ansteuerung des elektronischen Schalters spiele nicht nur hinsichtlich Stromrichtung, Bidirektionalität oder Verpolbarkeit eine zentrale Rolle, sondern trage auch zu einem deutlich niedrigeren Energiebedarf bei. Dies zeige sich vor allem im Vergleich zu herkömmlichen elektromechanischen Relais. "Die handelsüblichen Modelle haben eine Spule, mit deren Hilfe ein Magnetfeld aufgebaut werden muss, um den Anker zu bewegen", führt Kliem aus. "Diese Relais haben eine Stromaufnahme von 70 bis 100 mA – je nachdem, wie das Schalter-Minimum definiert ist. Wenn das Relais angezogen ist, muss diese Stromstärke also permanent vorhanden sein." Das ist jedoch problematisch, da nur wenige Stromkreis-Komponenten wie Rechner-Karten im Fahrzeug mit bis zu 15 mA treiben können. "Anwender brauchen in diesem Fall eine Adaption, um das Signal der Rechner-Karten zu verstärken und schließlich den Schalter ansteuern zu können", betont Kliem.

Bei dem neuen Solid State Relais von Carsig fällt diese Adaption weg – die elektronische Schalteinrichtung kann aufgrund des niedrigen Ansteuerstroms von 15 mA direkt angesteuert werden. "Die Energie, die zur Aktivierung des Halbleiterrelais aufgewendet werden muss, ist damit bedeutend geringer als bei handelsüblichen Relais", so Kliem.

Ein weiterer Vorteil der Schalteinrichtung, der Folgekosten für Hersteller reduziere, sei die lange Haltbarkeit. "Dadurch, dass das Halbleiterrelais keine elektromechanischen Kontakte besitzt, die sich bei starker Beanspruchung abnützen, leiden auch die einzelnen Komponenten unseres Relais weniger. Das wirkt sich positiv auf die Lebensdauer aus", erklärt Kliem. Zudem verwendet Carsig bei der Relais-Produktion seit Jahren wärmeableitende Techniken, wodurch die Bausteine auf Betriebstemperatur gehalten werden können und nicht überhitzen. "Obwohl das SSR mit Abmessungen von 30 x 30 mm kompakt gebaut und kleiner als viele andere Modelle ist, stellen hohe Temperaturen somit keine Probleme dar", erläutert Kliem abschließend.

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