Steuere AC-Geräte mit einem Solid State Relay

In diesem Tutorial lernst du, wie du Wechselstromgeräte wie Lampen, Ventilatoren oder Motoren mit einem Solid State Relay Modul und einem Arduino UNO steuerst. Im Vergleich zu mechanischen Relais sind Solid State Relays (SSRs) geräuschlos und können viel schneller und häufiger schalten.

Beachte jedoch, dass diese spezielle Art von Relais nur zum Schalten von Wechselstromgeräten, z. B. Lampen, die mit ~110V oder ~220V betrieben werden, verwendet werden kann.Wechselstrom (AC). Du kannst es nicht verwenden, um Geräte zu steuern, die mit Gleichstrom (DC) betrieben werden.

Ich verwende eine COB-LED-Lampe als Beispiel für ein Wechselstromgerät, das mit einem Solid State Relay Modul gesteuert werden kann. Du kannst natürlich auch dein eigenes Gerät wählen. Achte nur darauf, dass der Stromverbrauch unter 400 Watt liegt, da dies etwa die maximale Last ist, die das hier verwendete Solid State Relay schalten kann.

Benötigte Teile

Unten findest du die für dieses Projekt benötigten Teile. Natürlich brauchst du ein Solid State Relay Modul. Achte aber darauf, dass es sowohl Low-Level- als auch High-Level-getriggerte Module gibt. Low-Level bedeutet, dass das Relais einschaltet, wenn das Eingangssignal niedrig ist. Das ist der Typ, den wir in diesem Tutorial verwenden. Wenn du ein Solid State Relay Modul kaufst, lies die Beschreibung sorgfältig, um sicherzugehen, dass du das richtige bekommst.

Neben dem Solid State Relay benötigst du einen Mikrocontroller. Ich habe einen Arduino UNO gewählt, aber du kannst auch jeden anderen Arduino verwenden. Wenn du einen ESP32 nutzen möchtest, ist das möglich, aber du brauchst ein Board, das eine 5V-Stromversorgung bereitstellt.

Als Wechselstromgerät wollte ich eine COB-LED-Lampe schalten. Sie laufen mit ~110V oder ~220V. Ich habe unten das ~110V-Modell aufgeführt. Du musst eines auswählen, das zur Netzspannung in deinem Land passt.

Beachte, dass COB-LED-Lampen sehr hell sind und sehr heiß werden. Wenn du sie länger als eine Sekunde einschalten möchtest, musst du unbedingt einen Kühlkörper verwenden, idealerweise mit Lüfter! Einen Kühlkörper habe ich unten aufgeführt.

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Mechanische vs. Solid State Relais

Lass uns kurz die Unterschiede zwischen den üblichen mechanischen Relais und dem Solid State Relay, das wir in diesem Tutorial verwenden, besprechen.

Mechanisches Relais

Ein mechanisches Relais ist der traditionelle Typ, der einen Elektromagneten verwendet, um physisch einen Satz Kontakte zu bewegen. Wenn Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld, das einen kleinen Anker zieht und die Schaltkontakte schließt oder öffnet. Da das Schalten mechanisch erfolgt, hört man oft ein deutliches „Klicken“, wenn das Relais den Zustand ändert.

Mechanische Relais sind sehr vielseitig, können sowohl AC- als auch DC-Lasten schalten und sind in der Regel günstiger als ihre Solid-State-Pendants. Sie sind auch sehr robust beim Schalten hoher Spannungen und Ströme, was sie in Industrieanlagen, Fahrzeugtechnik und Haushaltsgeräten beliebt macht.

Die beweglichen Teile bringen jedoch Einschränkungen mit sich. Die Kontakte verschleißen mit der Zeit durch Lichtbögen beim Schalten induktiver Lasten, was ihre Lebensdauer verkürzt. Die mechanische Bewegung macht sie außerdem langsamer, mit Schaltzeiten meist zwischen 5 und 15 Millisekunden. Zudem erzeugen sie beim Schalten elektrische Störungen, die empfindliche Schaltungen stören können.

Wenn du mehr über mechanische Relais erfahren möchtest, schau dir unsere How To Use A Relay With Arduino und die Interfacing a Relay Module With ESP32 – A Complete Guide Tutorials an.

Solid State Relay

Ein Solid State Relay (SSR) hingegen hat keine beweglichen Teile. Statt physischer Kontakte verwendet es Halbleiterbauteile wie Optokoppler, TRIACs, Thyristoren oder MOSFETs zum Schalten.

Dieses Design macht sie viel schneller als mechanische Relais, mit Schaltzeiten oft im Mikrosekundenbereich statt Millisekunden. Da keine physischen Kontakte vorhanden sind, arbeiten sie geräuschlos und haben eine viel längere Lebensdauer, da kein mechanischer Verschleiß oder Lichtbogen entsteht.

Sie sind auch widerstandsfähiger gegen Vibrationen und Stöße, was sie ideal für Umgebungen macht, in denen Zuverlässigkeit und Langlebigkeit wichtig sind. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Steuerstrombedarf: Viele SSRs können direkt von den Logik-Pins eines Mikrocontrollers wie Arduino angesteuert werden, ohne einen externen Transistortreiber zu benötigen.

Trotz dieser Vorteile haben Solid State Relais auch Nachteile. Da sie Halbleiter verwenden, verursachen sie typischerweise einen kleinen Spannungsabfall am Ausgang, was zu Wärmeentwicklung führt. Deshalb benötigen SSRs oft Kühlkörper bei hohen Strömen.

Sie können auch eine geringe Leckstrommenge führen, selbst wenn sie ausgeschaltet sind, was in Anwendungen mit komplett offenem Stromkreis problematisch sein kann. Außerdem sind mechanische Relais oft für AC und DC geeignet, während die meisten SSRs entweder für AC oder DC optimiert sind, aber nicht für beides. Sie sind auch in der Regel teurer als mechanische Relais.

Zusammenfassung

In der Praxis hängt die Wahl zwischen mechanischen und Solid State Relais stark von der Anwendung ab. Wenn du gelegentlich hohe Ströme schalten musst, eine kostengünstige Lösung suchst und das Klickgeräusch nicht stört, ist ein mechanisches Relais meist die richtige Wahl.

Wenn du schnelles, geräuschloses und zuverlässiges Schalten brauchst, besonders bei häufigem Schaltbetrieb oder wenn Langlebigkeit wichtig ist, ist ein Solid State Relay die bessere Option.

Solid State Relay Modul

Du kannst ein Solid State Relay direkt steuern, aber für die einfache Nutzung mit einem Mikrocontroller und aus Sicherheitsgründen verwendet man meist ein Solid State Relay Modul mit ein paar zusätzlichen Bauteilen statt des „rohen“ SSR. Das Bild unten zeigt das Solid State Relay Modul, das wir in diesem Tutorial verwenden:

Der große, schwarze quadratische Block in der Mitte ist das eigentliche Solid State Relay (SSR). Es ist ein G3MB-202P mit einer Eingangsspannung von 5V DC, das AC-Lasten bis zu 240VAC mit 2 Ampere schalten kann:

Beachte, dass es mehrere Varianten des G3MB mit unterschiedlichen Eingangs- und Lastspannungen gibt, wie in der folgenden Tabelle gezeigt:

Für weitere Details siehe das Datasheet for the G3MB Solid State Relay.

Modulschaltung

Wie erwähnt, enthält ein Solid State Relay Modul zusätzliche Bauteile um das eigentliche Relais herum. Das folgende Diagramm zeigt die typische Schaltung eines Solid State Relay Moduls basierend auf dem G3MB-202P:

Schauen wir uns die Schaltung genauer an: Die 1N4007 Diode (D1) schützt die Eingangsschaltung und das G3MB-202P SSR vor einer falschen Polung der Eingangsspannung.

Der S8050 Treibertransistor (T1) schaltet das SSR ein, wenn ein logisches High (H) Signal am SIG-Pin des Eingangsheaders anliegt. Es gibt eine andere Version (und die verwenden wir hier), mit einem aktiven Low (L) Schalteingang, die stattdessen den S8550 Transistor nutzt. Wenn du genau auf die Unterseite des Moduls schaust, steht dort „Low Level Trigger“:

Das Modul benötigt eine 5V DC Stromversorgung über den 5V-Pin des Eingangsheaders, der typische Betriebsstrom liegt bei etwa 10mA.

Die Eingangsspannung des Steuersignals (SIG) sollte für Low-Level (Relais AUS) zwischen 0-2,5V und für High-Level (Relais EIN) zwischen 3-5V liegen. Das gilt für die hier verwendete Low-Level-Version. Die Schaltung enthält außerdem eine rote LED (LED1), die leuchtet, wenn das Relais eingeschaltet ist.

Die Schaltkontakte (SW-1 & SW-2) schalten 240V AC Lasten bis 2A, und die Sicherung (F1) dient als Ausgangsschutz. Das bedeutet, du kannst AC-Geräte bis 240V×2A=480W schalten, solltest aber zur Sicherheit 400 Watt nicht überschreiten.

Bauteile des Solid State Relay Moduls

Wenn du das Solid State Relay Modul von oben betrachtest, kannst du die wichtigsten Bauteile der Schaltung erkennen:

Ein abschließendes Wort zum Modul-Layout: Du wirst feststellen, dass die Hochspannungsseite sehr nah an den Niederspannungsanschlüssen und Leiterbahnen liegt. Es wäre besser gewesen, die Orientierung des G3MB-202P auf der Platine zu ändern, um Hoch- und Niederspannungsseite weiter auseinander zu bringen.

Anschluss des Solid State Relay Moduls an Arduino

In diesem Abschnitt verbinden wir das Solid State Relay Modul mit einem Arduino UNO. Verbinde zuerst 5V vom Arduino mit dem DC+ Eingang des SSR Moduls und GND mit dem DC- Eingang. Der Signaleingang CH1 des Moduls kann mit jedem digitalen Ausgangspin des Arduino verbunden werden. Ich habe GPIO 13 gewählt, aber jeder andere digitale GPIO funktioniert ebenfalls.

Auf der Hochspannungsseite musst du deine AC-Spannungsquelle mit der AC-Last, z. B. einer Lampe, über die Schaltseite des Moduls verbinden.Sei sehr vorsichtig beim Umgang mit Hochspannung!

Zu Testzwecken habe ich eine 220V, 50 Watt COB-LED-Lampe als Last angeschlossen, wie unten gezeigt:

Da ich keinen Kühlkörper verwendet habe, musste ich sicherstellen, dass die COB-LED nur sehr kurz eingeschaltet wird! Das Codebeispiel im nächsten Abschnitt schaltet die COB-LED daher nur für 100 Millisekunden ein. Wie erwähnt, wenn du die COB-LED länger einschalten möchtest, musst du einen Kühlkörper verwenden – idealerweise mit Lüfter!

Code zur Steuerung von Wechselstromgeräten mit Solid State Relay

Der folgende Code zeigt, wie du ein Wechselstromgerät mit dem Solid State Relay steuerst. Es ist im Grunde das einfache Blink-Programm. Es schaltet die Ausgabe (Lampe) für 100 Millisekunden ein und dann für 1 Sekunde aus:

const byte relayPin = 13;

void setup() {
  pinMode(relayPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Relay ON    
  digitalWrite(relayPin, LOW);   
  delay(100);    

  // Relay OFF
  digitalWrite(relayPin, HIGH); 
  delay(1000);  
}  

Beachte, dass die Logik invertiert ist (LOW bedeutet EIN) und (HIGH bedeutet AUS), da wir ein Low-Trigger SSR Modul verwenden. Wenn du ein High-Level-getriggertes SSR hast, musst du die Logik umkehren.

Mit diesem Code und einer COB-LED erhältst du im Grunde einen sehr hellen Blitz, der als Teil eines Alarmsystems verwendet werden könnte, um Eindringlinge zu vertreiben. Der stroboskopische Effekt ist sehr störend und blendend.

Fazit und Kommentare

In diesem Tutorial hast du gelernt, wie man eine COB-LED mit einem G3MB-202P Solid State Relay und einem Arduino steuert. Da der G3MB-202P einen Eingang zwischen 3V und 5V als High erkennt, könntest du auch einen ESP32 zur Steuerung verwenden. Allerdings benötigt der G3MB-202P auch 5V zur Stromversorgung, daher brauchst du einen ESP32 mit 5V-Versorgungspin.

Solid State Relais sind ideal, wenn du schnelles, geräuschloses und häufiges Schalten brauchst. Sie sind aber teurer als mechanische Relais und schalten typischerweise entweder AC- oder DC-Lasten, aber nicht beides.

Wenn du gelegentlich hohe Ströme schalten möchtest, sind mechanische Relais oft die bessere Wahl. Um mehr über mechanische Relais zu erfahren, schau dir unsere How To Use A Relay With Arduino und die Interfacing a Relay Module With ESP32 Tutorials an.

Wenn du Fragen hast, kannst du sie gerne im Kommentarbereich stellen.

Viel Spaß beim Tüfteln ; )