Grundlagen zu Relais

Relais spielen eine wichtige Rolle in unzähligen Verbraucher-, gewerblichen und Industrieanwendungen und -systemen. Sie werden oft unbemerkt in alltäglichen Systemen eingesetzt. Relais werden zum Beispiel beim Einstellen eines Haushaltsofens, beim Klicken einer TV-Fernbedienung oder beim Betrieb eines Aufzugs verwendet. Ursprünglich 1835 für den Aufbau von Telegrafenverbindungen über größere Entfernungen konzipiert, wurden die Relais später für den Einsatz in Telefonzentralen angepasst und arbeiten auch heute noch zuverlässig, unauffällig und mit hoher Effizienz.

Aus einer pragmatischen Perspektive betrachtet, funktionieren Relais als elektrische Schalter. Sie verwenden ein leistungsschwaches Signal, um einen leistungsstarken Stromkreis zu steuern, unabhängig davon, ob er sich in der Nähe oder in der Ferne befindet. Ihre Konstruktion ermöglicht eine wirksame Isolierung zwischen dem Signal mit geringer Leistung und dem Stromkreis mit hoher Leistung, die oft als galvanische Isolierung bezeichnet wird. Diese Isolierung gewährleistet den für die Nutzer sicheren und robusten Betrieb elektrischer Systeme. Relais sind vielseitig einsetzbar, da sie zur Regelung eines einzelnen Stromkreises oder mehrerer Stromkreise verwendet werden können und als Verstärker oder Leistungsschalter dienen können.

Die Möglichkeit, die Stromversorgung ferner Geräte zu steuern, führt auch zu verbesserten Sicherheitsmaßnahmen, insbesondere bei industriellen Prozessen, die für die Bediener eine physische Gefahr darstellen können. Diese vielseitigen Komponenten sind in einer Vielzahl von Gehäusen erhältlich und bieten unterschiedliche Stromkapazitäten, Montageoptionen und Platzbedarf, so dass sie ebenso weit verbreitet sind wie der alltägliche, allgegenwärtige Schalter.

Funktionsweise von Relais

Zum besseren Verständnis des Themas lassen sich die Relais in zwei Grundtypen einteilen: elektromechanische (EMR) und Halbleiterrelais (SSR). Der Hauptunterschied liegt im Vorhandensein oder Fehlen von beweglichen Teilen.

Die ältere der beiden Arten ist die elektromechanische, die aus Kontakten, einem Anker, einer Feder und einem Elektromagneten besteht. Im einfachsten Fall hält eine Feder die Position des Ankers. Bei Anlegen von Strom übt der Elektromagnet eine Anziehungskraft auf den Anker aus, wodurch dieser sich bewegt und eine Reihe von Kontakten schließt, wodurch der Stromfluss durch den Stromkreis ermöglicht wird.

Abbildung 1: Der grundlegende innere Aufbau eines elektromechanischen Relais. (Bildquelle: Same Sky)

Die in den späten 1950er Jahren eingeführten Halbleiterrelais hingegen erfüllen grundsätzlich den gleichen Zweck wie elektromechanische Relais, sind aber rein elektronisch und haben keine beweglichen Teile. Sie umfassen einen Eingangskreis, einen Steuerkreis und einen Ausgangskreis. Wenn die angelegte Spannung die festgelegte Anzugsspannung übersteigt, löst der Steuerkreis das Relais aus. Sobald die Spannung unter die Ausschaltspannung fällt, wird das Relais deaktiviert.

Elektromechanische Relais im Vergleich zu Halbleiterrelais (Fortsetzung)

Wie bei jeder elektronischen Bauteiltechnologie haben elektromechanische und Halbleiterrelais unterschiedliche Vor- und Nachteile, die es zu berücksichtigen gilt.

Aufgrund ihrer zwei Jahrhunderte alten Bauweise sind elektromechanische Relais einfach verwendbare robuste Komponenten, die sich in einer Reihe von Anwendungen als zuverlässig erweisen, einschließlich solcher, die hohe Ströme und gefährliche Umgebungen erfordern. Sie bieten eine vollständige elektrische Isolierung, widerstehen hohen Strom- und Spannungsspitzen und sind unempfindlich gegen elektrische Störungen wie elektromagnetische und hochfrequente Interferenzen (EMI/RFI).

Da elektromechanische Relais jedoch über bewegliche Teile verfügen, kommt es im Laufe der Zeit zu physischen Verschleißerscheinungen, und die Kontakte können sich durch Korrosion und Oxidation abnutzen. Sie können anfällig für Kontaktüberschläge sein, die zu Lochfraß und Kurzschlüssen führen. Aufgrund ihrer mechanischen Beschaffenheit sind sie anfällig für Kontaktprellen durch Stöße und Vibrationen, und sie können ihr eigenes EMI/RFI-Rauschen erzeugen. Außerdem können externe Magnetfelder ihre Funktion beeinträchtigen.

Im Gegensatz dazu bieten Halbleiterrelais eine längere Lebensdauer und funktionieren dank ihres Aufbaus ohne bewegliche Teile mit deutlich geringerer Steuerleistung. Sie ermöglichen schnellere Ein- und Ausschaltzyklen, verhindern Lichtbogenbildung und Kontaktprellen und bleiben unbeeinflusst von externen mechanischen Stößen, Vibrationen oder Magnetfeldern. Halbleiterrelais arbeiten in einem niedrigeren Spannungsbereich als elektromechanische Relais, wodurch sie für elektronische Geräte, aber weniger für Hochleistungsanwendungen geeignet sind.

Aufgrund ihres einzigartigen Designs können Halbleiterrelais jedoch anfällig für Spannungs- oder Stromtransienten und EMI/RFI-Rauschen sein. Sie neigen dazu, mehr Wärme zu erzeugen als ihre mechanischen Gegenstücke und können empfindlich auf Umgebungstemperaturen reagieren. Eine vollständige galvanische Trennung zwischen dem Steuersignal und der Last ist mit Standard-Halbleiterschaltern nicht möglich, kann aber mit optoelektronischen Bauteilen in fotogekoppelten Komponenten erreicht werden, die die Eingangs- und Ausgangssignale trennen.

Abbildung 2: Der grundlegende interne Aufbau von Halbleiterrelais. (Bildquelle: Same Sky)

Gängige Relaistypen

Es steht eine Vielzahl von Relaistypen zur Verfügung, die jeweils auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung zugeschnitten sind. Es ist erwähnenswert, dass die Hersteller für ihre Produktangebote eine leicht abweichende Terminologie verwenden können, aber hier ist eine allgemeine Zusammenfassung der wichtigsten Relaistypen:

• Allzweckrelais: Dies sind übliche elektromechanische Relais, die mit Wechsel- oder Gleichstrom im Bereich von 12 bis 230 Volt arbeiten und Ströme von 2 bis 30 Ampere steuern können.
• Signalrelais: Signalrelais werden zur Steuerung von Lasten mit geringem Stromverbrauch verwendet, typischerweise weniger als 2 Ampere. Weitere Informationen finden Sie im Artikel „Signalrelais - Die Grundlagen“ von Same Sky.
• Leistungsrelais: Leistungsrelais sind speziell für Lasten mit hoher Leistung ausgelegt, um die Wärmeentwicklung zu minimieren und Lichtbögen zu vermeiden. Weitere Informationen finden Sie im englischsprachigen Artikel „An Introduction to Power Relays“ von Same Sky.
• Maschinensteuerungsrelais: Dies sind robuste Hochleistungsrelais für den Einsatz in großen industriellen Anwendungen.
• Selbsthaltende Relais: Diese Relais behalten ihren gesetzten oder zurückgesetzten Zustand (entweder EIN oder AUS) bei, bis sie ein invertierendes Spannungssignal erhalten.
• Reed-Relais: Reed-Relais sind kompakt und arbeiten schnell. Sie verwenden einen Elektromagneten zur Steuerung eines oder mehrerer hermetisch versiegelter Reed-Schalter, die unempfindlich gegenüber externen Verunreinigungen oder Feuchtigkeit sind.
• Nullschaltrelais: Diese Relais aktivieren die Last (den Verbraucher), wenn die Steuerspannung angelegt wird und die Lastspannung nahe Null ist. Sie schalten die Last ab, wenn die Steuerspannung entfernt wird.

Abbildung 3: Grundprinzip der Nullschaltung mit Relais. (Bildquelle: Same Sky)

• Spitzenwert-Schaltrelais: Spitzenwert-Schaltrelais aktivieren die Last, wenn eine Steuerspannung angelegt wird und die Lastspannung ihren Spitzenwert erreicht. Sie schalten die Last ab, wenn die Steuerspannung entfernt wird und die Stromlast gegen Null geht.
• Sofort-EIN-Relais: Sofort-EIN-Relais aktivieren die Last sofort, wenn die Anzugsspannung angelegt wird.
• Zeitverzögerungsrelais: Zeitverzögerungsrelais verfügen über einen eingebauten Timer zur Steuerung von Ereignissen in Abhängigkeit von der Zeit.
• Analoge Schaltrelais: Analoge Schaltrelais verwalten die Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung und ermöglichen so unendliche Ausgangsspannungen innerhalb der Nennwerte des Relais.
• Optisch gekoppelte Relais: Hierbei handelt es sich um Halbleiterrelais, die eine Isolierung zwischen Steuer- und Stromkreisen gewährleisten, indem sie in Reaktion auf eine interne Lichtquelle schalten.
• Militärische/Hoch zuverlässige Relais: Diese Relais wurden speziell für den Betrieb in anspruchsvollen und rauen Umgebungen entwickelt.

Relais können außerdem als Schließer (NO) kategorisiert werden, bei denen die Kontakte offen sind und der Stromkreis nicht unter Spannung steht, oder als Öffner (NC), bei denen die Kontakte geschlossen sind, wenn der Stromkreis nicht unter Spannung steht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Relais in der Regel entweder als Schließer oder als Öffner spezifiziert sind, wenn keine Spannung anliegt.

Bewertungen und Konfigurationen

Relais werden nach ihrer Fähigkeit bemessen, elektrischen Strom sicher durch das Gerät zu schalten. Die Nennwerte sind entweder als AC oder DC kategorisiert und werden normalerweise in Ampere angegeben. Es ist wichtig, dass die Nennwerte des Relais gleich oder größer sind als die des zu steuernden Geräts.

Relais sind in der Lage, mehrere Stromkreise gleichzeitig zu steuern und werden entsprechend ihrer spezifischen Eigenschaften bezeichnet. Wenn Sie mit den Bezeichnungen für Pole und Kreise vertraut sind, können Sie diese als SPST, DPDT, 3PDT und SP3T bezeichnen.

Neben der Anzahl der Pole und der Kreise können die Relais wichtige Merkmale mit dem Begriff „Form“ beschreiben Formulierungen wie „1 Form A“ oder „2 Form C“ heben zwei wichtige Informationen hervor. Der Formtyp gibt an, ob es sich um einen Schließer oder Öffner handelt, und bei SPDT-Schaltern, ob es sich um einen „unterbrechenden“ Typ (der erste Kreis unterbricht, bevor der zweite Kreis schließt) oder einen „kurzschliessenden“ Typ (der erste Kreis schließt, bevor der zweite Kreis unterbricht) handelt. Die Zahl (1 oder 2) vor „Form“ gibt an, wie viele Kontakte dieser Art im Relais vorhanden sind. Einige gängige Typen sind:

• Form A - Schließer
• Form B - Öffner
• Form C - SPDT-Schalter vom unterbrechenden Typ
• Form D - SPDT-Schalter vom kurzschliessenden Typ

Fazit

Aufgrund ihrer einfachen Konstruktion und ihres zuverlässigen Betriebs werden Relais in Geräten und Systemen in einer Vielzahl von Branchen und Märkten eingesetzt. Ursprünglich waren sie grundlegende Bestandteile von Telegrafiesystemen und trugen sogar zur frühen Entwicklung von Computern bei. Auch heute noch spielen Relais eine wichtige Rolle, indem sie die sichere und effiziente Steuerung von elektrisch betriebenen Geräten aus der Ferne gewährleisten.

Same Sky bietet eine umfassende Auswahl an Leistungs- und Signalrelais mit einer Vielzahl von Nennwerten und Konfigurationen, um die Anforderungen an das Schalten von niedrigen oder hohen Strömen zu erfüllen.