Kann ein Solid State Relais ständig durchschalten bei defekt?
Moin zusammen! Ich hab gerade einen defekt...und zwar schaltet ein SSR ständig durch, obwohl keine Ansteuerung erfolgt. Ich bin ein wenig unbetucht was die dinger betrifft, aber eigentlich sollte das, wenn es denn mal kaputt geht, doch eher gar nicht durchschalten anstatt ständig?! Oder hab ich irgendwo nen Denkfehler?
3 Antworten
Gerade die Solid-State-Relays gehen auf "Durchzug" wenn die durchbrennen. Daher sind in Aufzugssteuerungen und anderen sicherheitsrelevanten Schutzschaltungen wie in Signalanlagen der Bahn die guten, alten mechanischen Schütze vorschrift, denn die können so gebaut werden, dass die bei defekt eher trennen und man baut Schütze ein die niemals unter last ein schalten, also immer zuerst eingeschaltet werden und dann die Schütze dahinter so dass die Kontakte niemals unter STrom zusammen geführt werden und sich verschweißen können. So kann dieses Schütz garantiert den STromkreis trennen, auch wenn alle folgenden Schütze "kleben", also deren kontakte sihc verschweißt haben.
Ein Halbleiterrelais ist ja nichts anderes, also zwei Klemmen die mit einem STück Silizium miteinander verbunden sind. Das Silizium hat unterschiedlich dotierte Bereiche die Sperrschichten aufbauen um den Strom zu stoppen. Dazu werden z.B. Teile mit Galiumatomen und andere Teile mit Arsenatomen angereichert. Das erzeugt einen positiven und negativen Ladungsüberschuß. Wo die zusammenstoßen tauschen sich die Überschüsse aus und es entsteht die Sperrschicht, eine "Verarmungszohne" in der leine freien Ladungen mehr vorhanden sind. Die werden mit Tricks abgebaut bzw. gegeneinander kompensiert wenn das Teil strom leiten soll so dass die Verarmungszohnen verschwinden und das gesamte Siliziumteil zwischen den Klemmen lückenlos mit Ladungsträgern bestückt ist.
Jetzt gibt es aber zwei Effekte die das Bauteil zerstören:
1) Diffusion, die Galium- und Arsenatome wandern durch den Kristall. Das kann man sich in etwa vorstellen wie Zucker den man in Tee auflöst. Je heißer, desto schneller geht das. Alle 7°C Temperaturerhöhung verdoppelt sich dieser Effekt, also bei 14°C mehr beträgt die mittlere Lebensdauer nur noch 1/4. In medizinischen, militärischen und sicherheitsrelevanten ANlagen gibt es daher Verfallsdaten für Bauteile die angeben nach wie vielen Jahren bzw. Betriebsstunden die ausgetauscht werden müssen. Haben sich zu viele Atome der Gegenseite im pn Übergang vermischt, wird die SPerrschicht zu schwach um einen STrom zu verhindern, der Leckstrom durch das Bauteil wird immer höher. Und der Leckstrom setzt viel Leistung um, erhitzt den pn-Übergang weiter und beschleunigt diesen Effekt!
2) Stromfäden. Wird ein bestimmter Strom überschritten, fließt der Strom nicht mehr gleichmässig durch den Querschnitt des Kristalls sondern bündelt sich zu einigen, wenigen Fäden. Damit steigt die Stromdichte extrem und die schmilzt den Kristall im Pfad des STromfadens. Im geschmolzenen Kristall können sich die dotierten Atome (Galium und Arsen) leicht bewegen und der pn-Übergang weicht schlagartig auf, die SPerrschicht verschwindet dadurch sofort und der Halbleiter wird zu einem relativ geringen temperaturabhängigen Widerstand. Deswegen stehen im Datenlatt zwei maximalströme drin die nicht überschritten werden dürfen. Der eine leitet sich aus der Verlustleistung ab die dauerhaft anliegen darf ohne das Bauteil zu überhitzen, der andere ist in Ampere angegeben und viel höher und darf niemals überschritten werden, Während man die Verlustleistung ganz kurz heftig überschreiten darf wenn man dem Teil genug Zeit gibt für das nächste mal wieder abzukühlen darf der zweite, höhere Strom nicht überschritten werden weil sich ab da Stromfäden bilden können.
Mit mechanischen Shützen sind dinge möglich, die mit Solid STate unmöglich sind.
In einer modernen Ampelanlage wird zwar alles mit Solid State gemacht, diese werden aber durch einen Sicherheitsstromkreis überwacht. Tritt "Feindliches Grün" auf, also zwei Ampeln die niemals gleichzeitig grün zwiegen haben Strom auf den grünen Lichtern, egal ob durch Kurzschluß in den Kabeln oder defekte solid state Relais, unterbricht der Sicherheitskreis den Strom eines mechanischen Schützes das dann den Strom von allen Lichtern nimmt und ggf die gelben Lichter bestimmter AMpeln auf einen Taktgeber schaltet damit die blinken.
Bei der Bahn werden in Signalanlagen keine Solid State Relais verwendet, hier sind besondere mechanische Relais vorschrift und zwar die sogenannten "Zwangsgeführten Relais". Kleben bei einem herkömmlichen Relais zwei Kontakte zusammen, bleibt der Stromkreis einfach erhalten, kleben z.B. die Öffnerkontakte, kann das Relais immer noch die Schließerkontakte betätigen und umgekehrt. Bei einem Zwangsgeführten Relais steckt das dann mechanisch in der Position mit den klebenden Kontakten fest, kann also den anderen Kontaktsatz nicht mehr schalten. Damit kann das Relais z.B. grün nicht einschalten wenn Rot nicht aus geht und umgekehrt. Auch liefern diese Relais eine Rückmeldung über seperate Kontakte. Soll es ausschalten, klebt aber mit einem Kontakt auf Ein fest, fehlt die Rückmeldung für Aus und die Schaltung geht in den Notbetrieb und bedient sich einer Reihe anderer Sicherheitsmaßnahmen um einen Zugunfall zu verhindern. Hier wird u.A. das defekte Signal dann Stromlos und der Zug per LZB oder PZB Signal (schau auf Wikipedia) zwangsgebremst.
Auch gibt es Relais mit Doppelkontakten. Hier werden zwei aufeinanderliegende Kontakte wie einer bewegt, die Kontakte werden durch eine Schwache Feder zusammen gehalten. Der Strom liegt wenn das Relais eingeschaltet ist auf dem oberen der doppelkontakte an, fließt über den mitlaufenden Kontakt auf den Amboss. So schaltet nur der untere Kontakt den Strom und kann sich durch den Strom mit dem Amboss verschweißen. Die Rückholfeder zieht aber nur am oberen Kontakt, klebt der Kotakt auf dem Amboss, teilt sich der doppelkontakt auf und trennt so den Strom immer noch. Gleichzeitig hängt ein ANschluß am unteren der Doppelkontakte und stellt fest, dass hier immer noch Strom vom Amboss anliegt, der Kontakt sich alos geteilt hat und dieses Relais seine Sicherheitseigenschaft verloren hat. Dann wird es nicht mehr eingeschaltet und ein Störungsalarm wird ausgelöst damit das Relais getauscht wird.
Hier also unbedingt einen mechanischen Thermoschalter benutzen. Es gibt welche mit Kapillarrohr so dass man den außen anbringen kann. Ansonsten muss man diesen Trennschalter neben dem Heizgerät anbringen damit der auslöst wenn das Teil zu heiß wird.
Alternativ kann man sehr träge Schmelzsicherungen so berechnen, dass die beim normalen AN/AUS Zyklus so gerade eben nicht durchbrennen um dann den STrom zu trennen wenn das Solid STate Relais auf "Durchzug" geht. Der Nachteil hierbei ist, dass die Sicherungen dadurch "leiden" und irgendwann dann "einfach so" durchbrennen und gewechselt werden müssen. Genau für so einen Fall gibt es "TT" (sehr träge) Sicherungen.
du hast einen denkfehler gemacht. wenn so ein Triac oder Thyristor abraucht, dann brutzelt die Sperrschicht durch und der kontakt ist dauerhaft gegeben. deswegen werden in sicherheitsrelevanten bereichen SSR oder der gleichen auch niemals ohne backup eingesetzt. z.b. bei elektronisch geregelten durchlauferhitzern die mit Phasenschnittsteuerung arbeiten. hier wird dem Halbleiter eine thermosicherung vorgelagert, die ein weiters aufheizen unterbindet, wenn die halbleiter ständig leitend werden.
lg, Anna
Das Relais schaltet bei Stromfluss einen Kontakt ( Öffner, Schließer, Umschalter ), schau mal in die Schaltung.
du hast einen kleinen denkfehler gemacht. auch wenn das teil relais heißt, es ist keines. ist ein Halbeliter...
lg, Anna
Wow mit so einer ausführlichen und verständlichen Antwort hätte ich ehrlich gesagt nicht gerechnet, Vielen Dank! Für die, die es interessiert: Es handelt sich um eine Heizungssteuerung in meiner Firma, also einer recht großen Anlage mit besagter Heizzone um die 3kW bei rund 220°C.