Relais
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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen finden sich unter Relais (Begriffsklärung). |
Ein Relais [rəˈlɛː] (Pl.: Relais [rəˈlɛːs]) ist ein durch elektrischen Strom betriebener, meist elektromagnetisch wirkender Schalter. Das Relais wird über einen meist galvanisch getrennten Steuerstromkreis aktiviert und kann einen oder mehrere z.B. Laststromkreise schließen, öffnen oder umschalten. Zur Darstellung der Schaltvorgänge in Schaltungen mit mehreren Relais werden Relaisdiagramme verwendet.
Relais werden hauptsächlich verwendet um
- mit einem Steuerstromkreis mehrere Laststromkreise gleichzeitig zu beeinflussen
- mit niedriger Leistung in einem Steuerstromkreis galvanisch getrennt einen Stromkreis hoher Leistung zu steuern.
Inhaltsverzeichnis |
Funktionsweise
In einem Relais wird durch den Stromfluss in der Spule des Elektromagneten ein Eisenanker angezogen. Der Eisenanker schließt oder öffnet durch seine Bewegung einen oder mehrere Kontakte, wodurch der Laststromkreis geschlossen, geöffnet oder umgeschaltet wird.
Ein Relais kann als Ruhestromrelais oder als Arbeitsstromrelais ausgeführt sein.
Schematischer Aufbau
Als Beispiel ist hier ein Klappanker-Relais mit einem Schließer abgebildet. Das linke Bild zeigt das Relais in Ruhestellung; die Spule ist spannungslos, der Arbeitskontakt geöffnet. Auf dem rechten Bild liegt an der Spule eine Spannung an, wodurch der Anker vom laminierten Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird.
Relaistypen
Schütze
Die Stromstärke und elektrische Spannung im Laststromkreis können um ein Vielfaches größer als in der Spule sein. Ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik wird Schütz genannt. Schütze besitzen in der Regel mehrere gleichartige Schaltkontakte, wie sie zum Schalten von Drehstromverbrauchern benötigt werden. Des Weiteren gibt es sogenannte Hilfsschütze, die ihrerseits zur Steuerung der vorgenannten Hauptschütze dienen.
Halbleiterrelais (solid-state-Relais)
Halbleiterrelais werden mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Halbleiterrelais werden auch als Solid State Relais (SSR) bezeichnet. Sie arbeiten ohne bewegte Teile, sind daher sehr langlebig und sind auch für hohe Schalthäufigkeit und ungünstige Umweltbedingungen (wie Umgebungen mit explosiven Gasgemischen) geeignet.
Eine galvanische Trennung wird bei Halbleiterrelais durch im Bauteil integrierte Optokoppler erreicht.
Halbleiterrelais haben gegenüber mechanischen Relais höhere Verluste im Laststrompfad und müssen daher oft auf eine Wärmesenke (Kühlkörper) montiert werden.
Fernmelderelais
In den elektromechanischen Vermittlungsstellen und Telefonanlagen wurden Relais (zum Beispiel Flachrelais 48) in großem Umfang eingesetzt. Sie dienten der logischen Ablaufsteuerung beim Auf- und Abbau der Wählverbindungen. Hierzu waren den Koppelelementen Relais fest zugeordnet.
Sensorrelais
Eine andere Art der Relais sind sensorische Relais, zum Beispiel
- Bimetallrelais zum zeitverzögerten Schalten - hier wird ein mit einem Heizleiter umwickelter Bimetallstreifen zum Schalten verwendet.
- sog. Distanzrelais - diese errechnen mechanisch/thermisch den Abstand eines Kurzschlusses im Stromnetz. In Mittelspannungs-Schaltanlagen steuern diese Relais die Abschaltung einzelner Abschnitte des Strom-Netzes
- Differenzrelais (2 Wicklungen) sprechen bei kleinen Strom- oder Spannungsdifferenzen zwischen den Wicklungen an. Nach dem Prinzip der Stromdifferenzauswertung arbeiten beispielsweise Fehlerstromschutzschalter
Stromstoßrelais
Stromstoßrelais schalten bei einem Stromimpuls in den jeweils anderen Schaltzustand um und behalten diesen bis zum nächsten Impuls bei.
Weitere Ausführungen
Relais gibt es in vielen Ausführungen, unter anderem:
- monostabil (zurückfallend in den Ausgangszustand): es gibt sie ungepolt (Polarität der Erregerspannung beliebig) und gepolt (geringere Anzugspannung durch Dauermagnet - diese haben eine vorgeschriebene Polarität der Erregerspannung)
- bistabil, auch als Stromstoßschalter bezeichnet (ohne Strom des Steuerkreises in beiden Lagen verbleibend): diese Relais gibt es ungepolt (sie schalten bei jedem Stromstoß in den jeweilig anderen Zustand) und gepolt (diese schalten polaritätsabhängig in den anderen Zustand)
- Doppelspulenrelais sind bistabil, haben jedoch zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Spulen. Sie werden z.B. bei der Modelleisenbahn zur Steuerung von Signalen verwendet.
- Relais für mehrere Lastkreise besitzen mehrere Kontaktsätze
- negierend (Öffnerkontakt) oder wechselseitig schließend (1 Öffner + 1 Schließer oder 1 Umschalter)
- Signalrelais: diese haben Gold- oder Palladiumkontakte und sind speziell und ausschließlich für kleine Ströme und Spannungen geeignet
- Leistungsrelais haben dagegen z.B. Silber-Cadmium- oder Silber-Wolfram-Kontakte und sind zum Schalten von Netzspannung bzw. Spannungen ab ca. 24 V geeignet
- Reed-Relais: diese haben einen in Schutzgas eingeschlossenen Kontakt, der zugleich Magnetanker ist
- Quecksilber-Relais: diese verwenden als einen oder beide Kontaktpartner Quecksilber und sind besonders langlebig und zuverlässig
- Koax-Relais werden zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet und haben eine definierte Leitungsimpedanz (z.B. 50 Ohm) zwischen Kontaktweg und Abschirmung
- manche Relais (z.B. DIL-Relais) haben eine integrierte Freilaufdiode und daher vorgeschriebene Polarität der Erregerspannung
- Wechselspannungs-Relais haben einen Spaltpol mit Kurzschlusswindung und können mit Wechselspannung gesteuert werden
- elektronische oder elektromechanische Zeitrelais
- Schrittschaltrelais zur Zahlen- oder Zeit-gesteuerten Schaltung in historischen Telefonanlagen, Ampelschaltungen oder auch Waschautomaten
- Umpolrelais bzw. Polwenderelais haben zwei Spulen und zwei Umschaltkontakte, die intern zu einer H-Brücke zum Umkehren der Drehrichtung von Gleichstrommotoren verschaltet sind
Relais im Auto
Die Relais, die im Auto in Form steckbarer Baugruppen im Sicherungskasten verbaut sind, sind genau genommen keine Relais, sondern meist elektronische Baugruppen bzw. kleine Steuergeräte. Beispiele:
- Intervallrelais für den Scheibenwischer (Elektrischer Taktgeber, teilweise mit einstellbarer Intervallzeit)
- Blinkrelais (Taktgeber für den Blinker)
- Glühzeitrelais für Dieselmotoren (Zeitsteuerung und Strompfadkontrolle)
- EGR-Relais (Steuerung der luftdruck- und drehzahlabhängigen Abgasrückführung)
- Benzinpumpenrelais (Zeit- und Drehzahlabhängige Steuerung der Benzinpumpe)
In den vielen dieser kleinen Steuergeräte ist zwar tatsächlich auch noch ein Relais enthalten, der Begriff Relais ist aber eher historisch bedingt. In modernen Autos werden die meisten Funktionen mittlerweile in größeren zentralisierten Steuergeräten integriert - so wird z.B. das typische "Blinkergeräusch" meist entweder per Lautsprecher oder sogar mit einem Relais, das keine Last schaltet, erzeugt.
Schalten von Relais mit Transistoren
Bei der Ansteuerung der Relaisspule mit einem Transistor ist zu beachten, dass durch Selbstinduktion beim Abschalten des Stromes durch die Spule des Relais eine hohe Spannung mit entgegengesetzter Polarität entsteht. Diese Spannung überschreitet die Nennspannung des Relais deutlich und kann durch Überschreiten der maximalen Sperrspannung des Transistors den Transistor zerstören.
Um die Zerstörung des Schalttransistors (T1 in der Abbildung) zu verhindern, schließt man über das Einbringen einer Diode (D1 in der Abbildung) diese Gegenspannung kurz bzw. begrenzt sie auf die Vorwärtsspannung der Diode. Allerdings führt das dazu, dass das Magnetfeld in der Spule langsamer zusammenbricht und sich die Schaltzeit des Relais deutlich verlängert - was wiederum durch einen stärkeren Schaltlichtbogen zu einer Verringerung der Lebensdauer der Schaltkontakte führt.
Die Nachteile hinsichtlich der Schaltzeit der Variante A löst man durch hinzufügen einer Zenerdiode (ZD 1 in der Abbildung, Variante B), deren Zenerspannung als Richtwert ungefähr des Nennspannung des Relais entsprechen sollte - das Magnetfeld in der Spule kann nahezu ungehindert zusammenbrechen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Sperrspannung des Schalttransistors immer noch größer als Betriebsspannung + Zenerspannung sein muss, um seine Zerstörung zu verhindern.
Über die beiden hier vorgestellten Varianten hinaus gibt noch weitere Variationen dieser Art der Schutzschaltung mit auf die Induktivität der Spule abgestimmten RC-Gliedern etc., die aber nicht so stabil arbeiten bzw. so einfach auszulegen sind.
Geschichtliche Entwicklung
Das elektromagnetische Relais (EMR) wurde von Joseph Henry im Jahre 1835 erfunden, und diente schon damals zur Nachrichtenübermittlung vom Labor zu seinem Haus. Samuel Morse konsultierte J. Henry im Jahre 1837 wegen seines Schreibtelegrafen. Morse verbesserte danach das EMR so, dass es auch auf schwächere Impulse reagierte und setzte es als Signalverstärker ein. Die Idee eines Telegraphen existierte zwar schon länger, aber das Relais war letztendlich der Schlüssel zum Erfolg. Es musste alle 30 km in den Signalweg der Telegraphenleitungen eingefügt werden, um die ankommenden schwachen Signale wieder zu regenerieren. Damit war die Grundlage geschaffen, Impulse über weite Strecken zu übertragen. Die erste Demonstration des Telegraphen fand 1844 zwischen Washington (D.C.) und Baltimore statt. In Anlehnung an die Relaisstationen der Post, wo die Postreiter ihre Pferde gegen frische tauschen konnten, taufte man das neue Gerät Relais.
Relais beim Beginn der Computerentwicklung
Das Relais ermöglichte auch die Entwicklung des Computers, der erstmals 1941 von Konrad Zuse unter dem Namen "Z3" mit 2.000 Relais für das Rechenwerk und den Speicher gebaut wurde.
Relais wurden in der Computertechnik allerdings schon Mitte der 40er Jahre weitgehend durch Elektronenröhren ersetzt. Später wurde die Funktion von Transistoren und ICs übernommen.
Charakteristische Größen
In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Kennwerte, über die ein Relais spezifiziert wird, aufgelistet. Darüber hinaus ist natürlich noch eine Maßzeichnung, Anschlussbelegung usw. interessant. Die Beispiele betreffen ein gängiges 12V-Relais aus dem Automobilbereich.
| Kennwert | Erläuterung | Beispiel |
|---|---|---|
| Spule | ||
| Nennspannung | Betriebsspannung der Relaisspule | 12V DC |
| Abfallerregung | Stärke des magnetischen Feldes, bei der der Anker abfällt | |
| Anzugsstrom oder -spannung | Stromstärke/Spannung, bei der der Anker anzieht | |
| Haltestrom oder -spannung | Stromstärke/Spannung, bei der der Anker angezogen bleibt. Sie ist geringer als der Anzugsstrom bzw. die Anzaugspannung. Dadurch kann ein Relais z.B. auch bei Fremdeinspeisung mit niedrigerer Spannung (ungewollt) angezogen bleiben. | |
| Abfallstrom oder -spannung | Stromstärke/Spannung, bei der der Anker abfällt. | |
| Kontakte | ||
| Kontaktausführung | Anzahl und Art der Schaltkontakte, | 2xWechsler (DPDT) |
| Schaltstrom | Wird meist unterschieden in den Strom, der Ein- und Ausgeschaltet werden kann. | 16A |
| Dauerstrom | Strom, der im eingeschalteten Zustand maximal fließen darf, liegt meist über dem Schaltstrom | 20A |
| Schaltspannung | Spannung, die maximal geschaltet werden kann | 20V |
| Umgebungstemperatur | Temperaturbereich, in dem das Relais betrieben werden darf | -40/+85°C |
| Prüfspannung W/K | Spannung, die zwischen den Spulenstromkreis (=Wicklung) und dem Kontaktstromkreis maximal anliegen kann | 500V DC |
| Elektrische Lebensdauer | Anzahl der Schaltvorgänge, die die Kontakte bei einer spezifizierten Belastung unter Einhaltung der elektrischen Parameter überstehen | 2,5*10E5 bei 20°C/35VDC/16A |
| Mechanische Lebensdauer | Anzahl der Schaltvorgänge, die die Mechanik bei einer spezifizierten Belastung übersteht | 6*10E5 bei 20°C |
| Zulässiger Spannungsabfall | Maximaler Spannungsabfall über die Schaltkontakte bei einem spezifizierten Strom, | 20mV |
| Kontaktwerkstoff | Material der Kontakte, meist Legierungen | Ag/Ni |
| Gesamtsystem | ||
| Ansprechzeit | Zeit zwischen Erreichen des Anzugstromes und Schließen der Kontakte | 4ms |
| Rückfallzeit | Zeit zwischen Unterschreiten des Haltestromes und Öffnen der Kontakte | 5ms |
| Schaltfrequenz | maximale Betätigungsfrequenz des Relais | 10Hz |
Übliche Kennzeichnung der Anschlüsse eines Relais
- A1, A2: Spule
- 13, 14: Schließer (Kontakt schließt bei Anlegen einer Spannung an die Spule)
- 11, 12: Öffner
Haben Relais mehrere Betätigungs-Spulen, so werden die weiteren Spulen mit A3/A4 usw. bezeichnet. Die vordere Zahl der Kontaktbezeichnung wird bei einem Relais mit mehreren Kontakten numerisch erhöht.Die hintere Ziffer gibt die Art des Relais-Kontaktes an. So bezeichnet z.B. 53/54 den 5. Kontakt, der ein Schließer ist.
Übliche Bezeichnung der Schaltfunktion eines Relais
In Datenblättern und Vergleichstabellen zu Relais findet man häufig englische Abkürzungen für die Anzahl der Schaltkontakte und -positionen:
- P Pole - Anzahl der Schaltkontakte (Single, Double, ...)
- T Throw - Anzahl der Schaltpositionen (Single, Double)
Die gebräuchlichsten Abkürzungen im Überblick:
-
SPST = Single Pole, Single Throw = Einpoliger Schalter SPDT = Einpoliger Umschalter DPST = Zweipoliger Schalter DPDT = Zweipoliger Umschalter
