Solid State Relais / Funktion - Sinn

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Ein Halbleiterrelais für einfache Automotive Gleichspannung Schaltanwendungen

Wer kennt das nicht, oft benutzte Schaltrelais die irgendwann den Geist aufgeben weil sie sehr oft und sehr schnell hohe Ströme schalten müssen, z.B. Heizungsgebläse, Lampen, Blinker, Warnblinkerschaltungen, Stromversorgungen (Relais die mit dem ABS!!!! oder Kraftstoffversorgung oder Einspritzanlage zu tun haben sollte man nicht so ohne weiteres Nachdenken über Bauteledimensionierung und Einsetzbarkeit manipulieren) usw. Hier zeige ich mal, wie ein sog. Solid State Relais in Halbleitertechnik aufgebaut ist. (Nachbau möglich, aber ohne Gewähr und Garantie) Der Trick in dieser Schaltung ist ein potentialtrennender Fotovoltaischer Kopplerschaltkreis (D60) der Firma Toshiba – TLP190B , der ähnlich wie ein Optokoppler, Datensignale von der Datenquelle entkoppelt, und somit die Ansteuerschaltung vor Leitungsstörungen, usw. schützt.

Abbildung 1 / verkabelt

Die Schaltleistung eines solchen Solid State Relais ist im wesentlichen abhängig vom verwendeten Schalttransistor. Hier ist die Auswahl natürlich sehr groß, ich verwendete hier bei diesem Beispiel einen Schalttransistor V102x der Firma Temic, es ist aber ohne weiteres möglich, vergleichbare Enhancement-Power-Fet-Schalttransistoren von z.B. IRF (IRF 540), Motorola, Siemens, ST und anderen Herstellern einzusetzten. Die Zusatzschaltung für Voltage-Sensing (Kompensation der Verluste an der Versorgungsleitung) D66 benötigt man bei einer einfachen Schaltanwendung als Relais nicht. Dies hier war ursprünglich eine Schaltung zur Ansteuerung von zu prüfenden Elektronikbauteilen (man siehts an der Bezeichnung DUT_xxx am Ausgang, was „Device Under Test“ bedeutet. V110 muss ebenfalls nicht zwingend eine Diode BAS216 sein, eine einfach 1N4148 erfüllt hier den gleichen Zweck, Ebenso muss V74 nicht ein BCX17 PNP-Transistor sein, hier kann man auch einen BC337 oder ähliches, was die Elektroniker Bastelkiste hergibt, verwenden. Zur eigentlichen Schaltung bleibt zu sagen, dass Die Diode V110 als sog. Speed-Up Diode das Gate (1) des Schalttransistors V102 schnell ansteuert, so dass dieser vom Sperrzustand in den Leitzustand sehr schnell übergeht (~1 Millisekunde). Der PNP Transistor V74 sperrt bei Spannungsbeaufschlagung U (2-3). Treiben des Schalttransistors V102 in den Widerstandsbereich -grosses R (3-2) - wird erzeugt durch zu langsames Ansteigen Der Gate-Source Spannung U (1-2) und erzeugt dann einen hohen Spannugnsabfall (weil man ja hohe Ströme schalten will) bis zum Defekt des Transistors V102.

Bild 2 : Hier ein konventionelles KFZ Relais, wie es in Fahrzeugen Anwendung findet
Bild 3 : Hier ist der Kern eines sog. KFZ Relais dargestellt. Das ist meist das Innenleben von Bild 2.

Beim Ausschalten der Spannungsbeaufschlagung von D60 U (4-3) steuert der Transistor V74 durch und entleert die Gateladung des Schalttransistors V102 (1-2) sehr schnell, so dass hier beim Ausschalten ebenfalls keine Ansteuerung in den gefährlichen Widerstandsbereich entsteht. Der Schalttransistor wird also im Betrieb nicht sehr warm. Hier ist nur die einfache Prinzipschaltung gezeigt, für Funktionale Sicherheitsanwendungen (SIL) muss noch einiges mehr gemacht werden an Schaltungs- und Fehlererkennungs- möglichkeiten. Deshalb Vorsicht z.B. bei ABS und anderen elektronischen Sicherheitssystemen. Wichtig ist auch noch zu erwähnen, dass das schalten von Induktiven Lasten, z.B. Lüftermotoren, Spulen, usw. immer!!! Einer sog. Freilaufdiode, die in Sperrrichtung parallel zum Motor oder der Spule geschaltet sein müssen. Fehlt diese Freilaufdiode kann V102 zerstört werden beim Ausschalten der Last. DUT2_F+ ist im Automotive Schalanwendungsfall UB- (31), und NT2_F+ ist der Anschluss an die zu schaltende Last.

R65_dieter im April 2010