Mechanische Relais – Grundlagen

(Bildquelle: Panasonic)

Unsere Abteilung für die Anwendungsentwicklung erhält häufig Anrufe von Kunden, die beim Lesen des Datenblatts für ein Relais oder beim Versuch, ein Relais für Ihre Anwendung zu finden, überfordert sind. In diesem Blog geht es um mechanische Relais und die mit ihnen in Zusammenhang stehenden Begriffe. Mit Halbleiterrelais befasse ich mich in einem späteren Blog.

Beginnen wir mit den Grundlagen. Mechanische Relais bestehen aus einer Spule (Elektromagnet) und Kontakten. Die Spule wird aktiviert, wenn die richtige Spannung anliegt und Strom durch sie fließt. Wenn die Spule aktiviert ist, übt sie eine Kraft auf den gemeinsamen (COM) Kontakt aus, die sie bewegt und mit dem in Ruhezustand offenen Kontakt (NO) verbindet. Ein Video zur Funktionsweise und eine bessere Visualisierung der internen Teile finden Sie unter:

Relais dienen hauptsächlich u. a. dazu, Hochstromlasten fernzuschalten, eine Hochstromlast mit einem Mikrocontroller oder Sensor zu steuern und einen Niederspannungssteuerkreis von dem von ihm gesteuerten Stromkreis elektrisch zu trennen.

Die größten Probleme bei Relais bereitet die Terminologie. Nachstehend habe ich einige der typischen Begriffe und jeweils das Teil des Relais aufgelistet, auf das sie sich beziehen.

Zuerst kommen alle Begriffe, die sich auf die Spule oder den Eingang beziehen.

Spulenspannung (Nennspulenspannung): Das ist die Nennspannung, für die die Spule bemessen ist.

Spulenstrom (Nennspulenstrom): Das ist der Wert des Stroms, der durch die Spule fließen sollte, wenn die richtige Spulenspannung angelegt wird.

Anzugsspannung (Ansprechspannung): Das ist die Mindestspannung, die erforderlich ist, damit alle Kontakte der Spule ordnungsgemäß geschaltet werden.

Abfallspannung (Rückfallspannung): Das ist die Spannungshöchstgrenze, bei der alle Kontakte in den Ausgangszustand zurückgesetzt werden.

Spulentyp (Spulenbezeichnung): Es gibt zwei Arten von Spulen: selbsthaltende und nicht selbsthaltende Spulen.

• Nicht selbsthaltende Spulen werden nur aktiviert, wenn Strom fließt. Nach Ende des Stromflusses kehren sie in ihre Ruhestellung zurück. Beispiel: SPST-NO-Kontakte schließen, wenn Strom angelegt wird, und öffnen, sobald kein Strom mehr anliegt.
• Selbsthaltende Spulen schalten in die Stellposition, sobald Strom fließt, und bleiben auch nach Ende des Stromflusses aktiviert. In die Rückstellposition lassen sie sich nur durch Umkehr des Stromflusses bringen.

(Bildquelle: KEMET)

Die obige Abbildung zeigt zuerst das nicht selbsthaltende Relais, das wie zu sehen keine Stell- oder Rückstellposition hat. Das zweite Relais ist ein selbsthaltendes Relais mit einer Spule, das eine positive Polarität an Pin 1 und eine negative Polarität an Pin 12 anzeigt, um die Spule zu setzen (S) und eine negative Polarität an Pin 1 und eine positive Polarität an Pin 12 für das Zurücksetzen (R) der Spule anzeigt. Das dritte Relais ist ein selbsthaltendes Relais mit zwei Spulen, das dem Relais mit einer Spule ähnelt, nur dass hier das Rückstellen über die zweite Spule erfolgt.

Maximalspannung: Das ist die vom Hersteller festgelegte Höchstspannung, die für längere Zeit an die Spule angelegt werden kann, ohne Schäden oder Ausfälle zu bewirken. Bei einigen Herstellern gibt es eine Toleranz, um Spannungsspitzen einer bestimmten Dauer zuzulassen.

Die folgenden Begriffe beziehen sich auf die Kontakte oder den Ausgang.

Kontaktform: Dies bezieht sich auf die Eingangs- (Pole) und Ausgangsklemmen (Throws) im Schaltteil des Relais. Für Schalter gelten dieselben Begrifflichkeiten. Der Pol ist der Eingang des Schalters. Die Anzahl der Pole bestimmt, wie viele einzelne Schaltkreise der Schalter steuern kann. Der Throw ist der Ausgang eines Schalters. SPST (Single Pole Single Throw) ist die einfachste Kontaktform. Ein Eingang, ein Ausgang. Die Ausgänge können Schließer (NO) oder Öffner (NC) sein. (Beispiel: Ein SPST-NO-Relais aktiviert nur dann den Ausgang und schließt den Schaltkreis, während die Spule erregt ist. Andernfalls bleibt der Schaltkreis geöffnet). SPDT (Single Pole Double Throw) hat einen Eingang und zwei Ausgänge. DPST (Double Pole Single Throw) sind zwei SPSTs in einem. Es gibt viele Kombinationen aus Eingangs- und Ausgangsklemmen, aber die obigen Erläuterungen verdeutlichen das Konzept hoffentlich.

(Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Schaltspannung: Kann als maximale Schaltspannung (die höchste Spannung, die der Kontakt sicher und ohne Beschädigung schalten kann) oder als Nennspannung (die bevorzugte Spannung, auf der die Lebenserwartung basiert) angegeben werden.

Kontaktnennstrom: Dies ist der maximale Strom, der von den Kontakten sicher geschaltet werden kann. Es ist besser, eine höhere Nennstromstärke zu wählen, damit die Kontakte weniger belastet werden.

Die folgenden Begriffe stammen aus der Elektrik oder Mechanik.

Rückfallzeit (Rückstellzeit): Die Zeit, die die Kontakte benötigen, um in den Normalzustand zurückzukehren, nachdem die Spule spannungsfrei geschaltet wurde.

Kontaktprellen: Die Zeit (ms), die während des mehrfachen Schaltens aufgrund von Federeffekten der Metallteile vergeht, bis der Endzustand erreicht ist.

Mechanische Lebensdauer: Dies ist die Mindestanzahl, die das Relais unter den vom Hersteller festgelegten normalen Bedingungen betätigt werden kann.

Mechanische Relais sind im Grunde simpel, können aber kompliziert werden, wenn man nicht mit ihnen vertraut ist. Dieser Blog hilft Ihnen hoffentlich, wenn Sie das nächste Mal ein Relais für ein Projekt benötigen.