MOSFET-Relais von Panasonic: Zukunftsorientierte Halbleitertechnologie in großer Auswahl
Panasonic Industry Europe ist Hersteller von Relais, Halbleiterrelais, Schaltern und Steckverbindern und bietet Ihnen mit seinem Portfolio an PhotoMOS®-Relais ein weltweit einzigartiges Produktspektrum: wählen Sie aus über 400 Typen die passenden Lösungen für nahezu alle Anwendungsbereiche.
Das Panasonic Angebot umfasst zwei Typen an Halbleiterrelais: Solid-State-Relais (SSR) zum Schalten mittlerer bis hoher Lasten - typische Verbraucher sind Heizelemente, Lüftungen, Ventile, Pumpen oder Motoren. Die zweite Gruppe bilden die PhotoMOS®-Relais, auch bekannt als MOSFET-Relais, mit einem besonders breiten Anwendungsspektrum.
Aufbau und Funktion eines MOSFET-Relais
MOSFET-Relais bestehen aus einer eingangsseitigen Leuchtdiode (LED), deren emittiertes Licht durch ein semitransparentes Isolatormaterial auf ein Feld aus Solarzellen trifft. Dort wird das eingestrahlte Licht in elektrische Spannung umwandelt. Die dadurch erzeugte Ausgangsspannung steuert über eine Triggerschaltung die Gates zweier bidirektional geschalteter MOSFETs am Ausgang. Durch die antiserielle Verschaltung der MOSFETs können sowohl Gleich- als auch Wechselstromlasten geschalten werden. Durch die Verwendung von MOSFETs unterscheiden sich MOSFET-Relais signifikant von Optokopplern und Halbleiterrelais mit Triac- oder Transistor-Bausteinen.
Was macht MOSFET-Relais im Markt so erfolgreich?
MOSFET-Relais bieten zahlreiche Vorteile: Die zugrunde liegende Halbleitertechnologie ermöglicht ein geräuschloses sowie prell- und verschleißfreies Schalten bei hohen Schaltfrequenzen. Da MOSFET-Relais keine beweglichen Kontakte beinhalten, sind sie bekannt für ihre hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Unabhängig von der Schaltspielanzahl erreichen MOSFET-Relais eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer, sofern sie innerhalb der empfohlenen Spezifikation betrieben werden. Mechanischer Verschleiß oder Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen oder mechanischen Schock spielen bei MOSFET-Relais nur eine geringe Rolle.
Anders als bei elektromechanischen Relais, bei welchen verschiedene Effekte den Kontaktwiderstand beeinflussen können, bleibt der On-Widerstand bei MOSFET-Relais über die gesamte Lebensdauer hinweg konstant.
Das Schaubild zeigt hier eine Kurve am Beispiel des AQV210E.
Durch die Integration von neuesten MOSFET-Technologien können Lastspannungen bis zu 1500V AC, z.B. AQV258-Familie, oder Lastströme bis zu 10A DC (AQZ192) geschalten werden. Eingangsseitig benötigen MOSFET-Relais nur einen sehr geringen LED-Strom von ca. 5 mA. Für besonders energiesensitive Anwendungen eignen sich Spezialtypen mit einem Strombedarf von gerade einmal 2 mA.
Aufgrund der Halbleitertechnologie ist es möglich, MOSFET-Relais in kleinste Bauformen wie TSON (z.B. AQY2C1R2P mit 40V / 0,3A Schaltvermögen bei nur 0,8Ω On-Widerstand) oder VSSOP (z.B. AQY221N5T mit nur 0,4pF Ausgangskapazität) zu integrieren.
Eine sehr einfache Art, nach Bauformen zu filtern, bietet die PhotoMOS® App.
Hier können Sie die für iPhone und iPad verfügbare App herunterladen.
Typische Anwendungen für MOSFET-Relais finden sich im Bereich der Messtechnik, Automatisierungs- und Steuerungstechnik, Smart Metering und im stark wachsenden Automotive Markt mit Schwerpunkt auf Elektrofahrzeugen und E-Mobility.
MOSFET-Relais - Vorteile auf einen Blick
- Geräuschloses Schalten
- Lineare Ausgangskennlinie
- Geringer Stromverbrauch
- Geringer Leckstrom
- Keine Schwellspannung
- Stabiler ON-Widerstand über die gesamte Lebensdauer
- Hohe Zuverlässigkeit bei extrem langer Lebensdauer
- Sehr kompakte Baugröße
- Schnelle Schaltgeschwindigkeit
- Hohe Vibrations- und Schockbeständigkeit
- Kein Prellen und Schaltrauschen
Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten von MOSFET-Relais
Die Bezeichnung als Relais beschreibt die Funktionsweise der Komponente. Durch ein eingangsseitiges Steuersignal kann ein ausgangsseitig angeschlossener Stromkreis geschlossen oder getrennt werden. Das Relais beinhaltet eine galvanische Trennung zwischen dem Steuer- (Eingangsseite) und dem Lastkreis (Ausgangsseite). Im Bereich der Elektromobilität kann zum Beispiel somit die Spannung der Hochvoltbatterie durch ein Signal auf ungefährlich niedriger, berührbarer Spannungsebene geschalten werden. Der Anwender hat durch die Isolation keine Überschläge zu befürchten.
Der Namenszusatz „MOSFET“ beschreibt das ausgangsseitig integrierte Schaltelement. Genau betrachtet handelt es sich gängiger Weise um zwei antiseriell verschaltete Leistungs-MOSFETs, um ein Schalten sowohl von AC- als auch DC-Lasten zu ermöglichen. Vereinfacht kann ein MOSFET als spannungsgesteuerter Widerstand betrachtet werden. Je nach Aufbau existieren sowohl sperrende als auch öffnende MOSFETs, d.h. entsprechend ist der angeschlossene Stromkreis im nicht angesteuerten Zustand des MOSFET geschlossen oder geöffnet. Im Kontext der Relais spricht man somit von Normally-Open- (Form A) oder Normally-Closed- (Form B) Komponenten.
Wichtige Überlegungen beim Schaltungsdesign mit MOSFET-Relais: Eingangsspannung
Zur Ansteuerung des MOSFET-Relais ist ein externer Vorwiderstand notwendig. Beim Anlegen der Steuerspannung an die Eingangsseite des Bauteils erfolgt ein Spannungsabfall an der LED. Um den LED-Strom auf den vom Hersteller empfohlenen Wert zu begrenzen, muss ein entsprechend dimensionierter Vorwiderstand hinzugefügt werden.
Bei der Dimensionierung des Vorwiderstandes ist zudem auf den Einfluss der Umgebungstemperatur zu achten. Hierzu sollte bei der Berechnung des Vorwiderstands der LED-Spannungsabfall bei maximal auftretender Umgebungstemperatur berücksichtigt werden.
- VCC: Versorgungsspannung
- VF: LED-Abfallspannung (typ. 1,25V)
- IF: PhotoMOS® LED-Strom
- Rin: Vorwiderstand
Wird die LED mit einem dauerhaft hohen Strom oder bei hoher Temperatur betrieben, so leidet die LED und degradiert im Laufe der Zeit. Bewegen sich diese Werte dagegen im Bereich der Herstellerempfehlung, so ist keine merkliche Beeinträchtigung des Wirkungsgrades und somit der Lebensdauer des MOSFET-Relais zu erwarten.
Transistoren als Ansteuerelement
Einige Logikschaltkreise liefern nicht ausreichend Strom, um MOSFET-Relais direkt anzutreiben. Abhilfe kann hier mit der Verwendung eines zusätzlichen Transistors oder CMOS-Inverters geschaffen werden.
Die Abbildung zeigt die Eingangsschaltung eines MOSFET-Relais mit einem Transistor und der zusätzlich notwendigen externen Stromversorgung. In diesem Szenario wird der Transistor durch den Ausgang der Logikschaltung gesteuert und der entsprechende LED-Strom durch die externe Quelle bereitgestellt. Bei der Berechnung des Vorwiderstandes der LED muss zusätzlich der Spannungsabfall zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors berücksichtigt werden.
Weitere Informationen zum Design des Eingangskreises.
AC, DC, hohe Ströme: Anschlussoptionen bei PhotoMOS®-Relais auf der Lastseite
Im Falle von Zweikanal-MOSFET-Relais (2FormA AQW Typen, z.B. AQW216AZ) gibt es verschiedene Beschaltungsmöglichkeiten, um unterschiedliche Lastanforderungen zu erfüllen. Die folgenden Abbildungen zeigen dies beispielhaft für MOSFET-Relais im 6-Pin-Gehäuse.
Die Beschaltung A nutzt beide internen MOSFETs in antiserieller Verschaltung. Somit ist es möglich, sowohl AC- als auch DC-Lasten zwischen Pin 4 und Pin 6 zu schalten.
Wird dagegen wie in Beschaltung B lediglich Pin 6 und Pin 5 bzw. Pin 4 und Pin 5 zur Verbindung des Lastkreises genutzt, so wird nur ein MOSFET zum Schalten der Last genutzt. In dieser Konfiguration können nur DC-Lasten von dem MOSFET-Relais geschalten werden. Beim Anschluss muss somit auf die Polarität geachtet werden. In dieser Konfiguration trägt nur der On-Widerstand eines MOSFET zur Wärmeentwicklung im Bauteilgehäuse bei. Die Stromstärke kann somit noch ein wenig erhöht werden, bis das Limit erreicht wird.
In der Beschaltung C werden beide MOSFETs parallel verbunden, um eine DC-Last zu schalten. Somit halbieren sich die On-Widerstände der MOSFETs und der doppelte Strom kann von dem MOSFET-Relais geschalten werden. Beim Anschluss muss somit auf die Polarität geachtet werden.
Die Anwendungstopologie bestimmt die eingesetzten MOSFET
Die Topologie und Bauform der angestrebten Lösung sowie Aspekte wie Stromaufnahme, Ausgangslast, Frequenzverhalten und Isolationsfähigkeit sind wichtige Parameter und Kriterien bei der Wahl geeigneter MOSFET-Relais. In Messanwendungen stehen Bauteilgröße und Frequenzverhalten im Vordergrund, wogegen im Bereich der Industrieautomation oftmals eine hohe Ausgangsleistung sowie I/O-Isolation eine größere Rolle spielen.
Wichtige technische Aspekte
Für die Auswahl des richtigen MOSFET-Relais gilt es, auch die auftretenden Verluste zu berücksichtigen. Hierzu müssen drei Werte in der Spezifikation betrachtet werden:
- Welche Stromaufnahme benötigt das Bauteil für den Betrieb?
- Welcher Leckstrom tritt ausgangsseitig im ausgeschalteten Zustand auf?
- Welche Verluste entstehen beim Führen der Last?
Letzteres berechnet sich aus dem On-Widerstand bei aktueller Umgebungstemperatur und dem zu führenden Laststrom.
Panasonic bietet für Ihre technische Lösung eine große Auswahl diverser MOSFET-Relais und MOSFET-Treiber an. Ihr passendes Bauteil ist nicht dabei? Wir bieten Ihnen gerne kundenspezifische Sondertypen an.
Das MOSFET-Relais-Portfolio von Panasonic
PhotoMOS®-Relais von Panasonic – größtmögliche Auswahl bezüglich Anforderungen, Gehäusegrößen, Eigenschaften und Zielapplikationen – finden Sie die passgenaue Antwort für Ihren Bedarf.
Panasonic bietet mit seinem breiten Portfolio an MOSFET-Relais, den sogenannten PhotoMOS®, eine große Auswahl diverser Schaltlösungen.
Vom TSON Mikro-Gehäuse für die hochdichte Bestückung bis hin zum Leistungs-PhotoMOS® mit hoher Lastkapazität – bei über 400 verschiedenen Typen in 18 verschiedenen Gehäusearten finden Sie für jede Anwendung das ideale PhotoMOS®-Relais.
MOSFET-Relais von Panasonic unterstützen viele Industriebereiche und Anwendungsfelder
Hohe Ausgangsleistung
Mit einer Stromtragfähigkeit bis zu 10A DC (6A AC) kommen MOSFET-Relais in dieser Produktgruppe im schmalen SIL-Gehäuse oder in der besonders niedrigen und kompakten PowerDIP-Ausführung.
- Stationäre Energiespeicher
- Photovoltaik-Anlagen
- Robotik
- Industrieautomatisierung
- Automotive
Geringer On-Widerstand
Dank geringer On-Widerstände bis hinab zu 8mOhm (AQZ192) können Sie mit PhotoMOS® der HE- und HF-Serie trotz höherer Ströme die Verluste und den Wärmeeintrag in Ihrer Applikation gering halten.
- Office-Automatisierung
- Messanwendungen
- Industriemaschinen
Allrounder
Die Typen der GU-Serie und GE-Serie bilden das Fundament im Leistungs-Mittelfeld und sind für eine Vielzahl an Anwendungen geeignet. Zur Reduktion der Energieaufnahme verfügen die High-Sensitivity-Typen über eine LED mit sehr geringerem Strombedarf.
- Datenkommunikation
- Überwachungssysteme
- Robotik
- Messanwendungen
Low CxR
Einen geringen On-Widerstand sowie eine geringe Ausgangskapazität vereinen die PhotoMOS® der RF-Serie. Diese sogenannten LowCxR-Typen weisen besonders gute Hochfrequenzeigenschaften auf und ermöglichen aufgrund der besonders kleinen Bauformen eine hohe Kanaldichte.
- Datenkommunikation
- Messinstrumente
- Medizintechnik
MOSFET-Relais für Automotive-Anwendungen
Das Panasonic PhotoMOS® Portfolio umfasst auch spezielle Typen für den Einsatz im automobilen Sektor. Gängige Anwendungen finden sich zum Beispiel rund um das Battery Management System (BMS) in Elektrofahrzeugen. In Anwendungen wie der Isolationsüberwachung oder der Hochspannungsmessung werden vermehrt Reed-Relais von MOSFET-Relais ersetzt. Mit einer langen Lebensdauer sowie großer Robustheit trumpfen MOSFET-Relais in diesen Anwendungsbereichen. Wenn Sie MOSFET-Relais von Panasonic in einer Automotive-Applikation einsetzen möchten, kontaktieren Sie bitte unsere Vertriebsansprechpartner.
Auswahl nach Gehäusetyp
Da es durch den On-Widerstand zum Leistungsverlust kommt, muss die daraus resultierende Wärme über die Gehäusefläche abgeführt werden. Strom-Spannungsparameter der Applikation bestimmen daher maßgeblich die auszuwählende Gehäusegröße:
Die Auswahl des richtigen PhotoMOS® Relais ist entscheidend für den Erfolg und hängt von vielen wichtigen, zu beachtenden Faktoren ab – kein leichtes Unterfangen.
Bei der Auswahl der richtigen PhotoMOS® Relais für Ihre individuellen Anwendungsbereiche hilft Ihnen deshalb die kostenfreie Panasonic PhotoMOS® App (für iPhone & iPad). Übersichtlich und mit intuitiver Navigation gelangt der Anwender schnell zum optimalen Bauteil.
