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durch elektrischen Strom fernbetätigter Schalter Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Relais [] (Pl.: Relais [])[1] ist ein durch elektrischen Strom betriebener, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten.
Ein mechanisches Relais arbeitet meist nach dem Prinzip des Elektromagneten. Ein Strom in der Erregerspule erzeugt einen magnetischen Fluss durch den ferromagnetischen Kern und einen daran befindlichen, beweglich gelagerten, ebenfalls ferromagnetischen Anker. An einem Luftspalt kommt es zur Krafteinwirkung auf den Anker, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte schaltet. Der Anker wird durch Federkraft in die Ausgangslage zurückversetzt, sobald die Spule nicht mehr erregt ist.
Als Beispiel ist hier ein Klappanker-Relais mit einem Schließer (auch Arbeitskontakt genannt) 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 Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird.
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Ein Kontakt wird als Schließer oder Arbeitskontakt bezeichnet, wenn er bei abgefallenem Anker bzw. stromloser Erregerspule offen und bei angezogenem Anker bzw. stromdurchflossener Spule geschlossen ist. Als Ruhekontakt oder Öffner wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er in angezogenem Zustand des Relais den Stromkreis unterbricht. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler oder Umschaltkontakt bezeichnet. Ein Relais kann einen oder mehrere solcher Kontakte haben.
Ein Relais heißt „Ruhestromrelais“, wenn es im Ruhezustand vom Strom durchflossen und angezogen ist, beispielsweise zur Überwachung von Netzausfall oder Drahtbruch. Im anderen und überwiegenden Fall, bei dem es im Ruhezustand stromlos ist, wird es als „Arbeitsstromrelais“ bezeichnet.
Im Schaltplan werden Relais grundsätzlich im abgefallenen Zustand gezeichnet, auch wenn sie als Ruhestromrelais arbeiten. Nur in seltenen Ausnahmefällen wird der aktive Zustand dargestellt, der dann besonders gekennzeichnet ist.
Relais sind elektromechanische Bauelemente. Sie werden hauptsächlich für die folgenden Anwendungsfälle eingesetzt:
Elektromechanische Relais sind wegen ihrer Nachteile in vielen Anwendungen von elektronischen Schaltern abgelöst worden. Relais besitzen gegenüber Halbleiterschaltern jedoch auch Vorteile, weshalb sie nicht überall ersetzt werden können.
Unter den Relais gibt es eine sehr große Anzahl verschiedener Bauformen und Ausführungen. Darüber hinaus können Relais nach verschiedenartigen Gesichtspunkten typisiert werden, beispielsweise nach Anzahl der in stromlosem Zustand möglichen Schaltzustände, nach Bauform, Baugröße, Einsatzgebiet, Art oder Material der Kontakte, Schaltleistung oder Funktionsprinzip. Ein Relais kann daher oft zu verschiedenen Typen gezählt werden.
Die wichtigsten Typen sind:
Zu dem etwas unklar abgegrenzten Begriff Kleinrelais gehören eine Vielzahl meist im Niederspannungsbereich eingesetzte Relais, die oft zum Einbau auf Leiterplatten vorgesehen sind („Printrelais“). Weitere Beispiele sind DIL-Relais, kammgeführte Relais oder SMD-Miniaturrelais.
Ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik wird Schütz genannt. Die Stromstärke und elektrische Spannung im Laststromkreis können um ein Vielfaches größer als in der Spule sein. Schütze besitzen einen Zuganker, für dessen Ansteuerung eine etwas höhere Leistung erforderlich ist, und sie haben 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.
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Halbleiterrelais (engl. solid state relay, SSR, daher eingedeutscht auch Solid-State-Relais genannt) sind keine mechanischen Relais, sondern elektronische Bauelemente, die ohne bewegte Kontakte schalten.
Halbleiterrelais werden mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Sie sind sehr langlebig, für hohe Schalthäufigkeit und ungünstige Umweltbedingungen (Feuchtigkeit, aggressive oder explosive Gase) geeignet.
Mit Halbleiterrelais besteht die Möglichkeit, Wechselspannung während des Nulldurchganges zu schalten (Nulldurchgangsschalter), womit störende Impulse vermieden werden können. Außerdem gibt es Halbleiterrelais, die im Scheitel der Netzspannung oder sofort beim Ansteuern, also momentan schalten. Scheitelschalter werden eingesetzt zum Schalten von Induktivitäten, die keine oder nur eine geringe Restmagnetisierung haben und damit keine Hysterese aufweisen.
Eine galvanische Trennung zwischen Steuerkreis und Lastkreis wird bei Halbleiterrelais durch im Bauteil integrierte Optokoppler erreicht. Halbleiterrelais haben gegenüber mechanischen Relais höhere Verluste im Laststrompfad und müssen daher oft auf einen Kühlkörper montiert werden.
So genannte OptoMOS- bzw. PhotoMOS-Relais ähneln im Aufbau Optokopplern. Sie arbeiten steuerungsseitig wie ein Optokoppler mit einer Infrarot-LED und besitzen lastseitig im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Halbleiterrelais keine Triacs oder Thyristoren, sondern MOSFETs, mit denen sie Gleich- und Wechselspannungen schalten können. Sie können nur kleine Ströme schalten, müssen nicht gekühlt werden und haben einen geringeren Spannungsabfall als Halbleiterrelais, zeigen typischerweise jedoch einen höheren „Kontaktwiderstand“ als mechanische Signalrelais. Sie arbeiten prell- und verschleißfrei sowie mit Schaltgeschwindigkeiten von einigen Mikrosekunden.
Bistabile Relais sind gekennzeichnet durch ihre Eigenschaft, dass sie im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Schaltzustände einnehmen können. Der Vorteil dieser Bauform ist, dass ein bistabiles Relais nur während der Umschaltphase kurzzeitig Energie benötigt und in den beiden stabilen Zuständen, welche beliebig lange dauern können, kein weiterer Energieverbrauch erfolgt.
Zu den bistabilen Relais gehören:
Es gibt zwei Arten von Relais, bei denen die Polarität vorgeschrieben ist:
Kfz-Relais sind robust gebaute Relais, die den erhöhten Anforderungen in Kraftfahrzeugen hinsichtlich Stoßfestigkeit und Temperaturbereich standhalten können. Sie arbeiten mit der Bordspannung von 12 V oder 24 V und können höhere Ströme schalten. In der Regel besitzen sie Anschlüsse mit 6,3-mm-Flachsteckern. Häufig enthalten sie im Gehäuse schon Bauelemente (Widerstand, Diode) zum Begrenzen der Gegeninduktionsspannung der Spule.
Die „Relais“, die als steckbare Baugruppen u. a. im Sicherungskasten von Kraftfahrzeugen verbaut sind, sind häufig Relais mit weiteren Funktionen oder elektronische Baugruppen bzw. kleine Steuergeräte.
In vielen dieser kleinen Steuergeräte ist zwar tatsächlich noch ein mechanisches Relais enthalten, der Begriff Relais für die gesamte Einheit ist aber eher historisch bedingt. In modernen Autos werden die meisten Funktionen in größeren zentralen Steuergeräten integriert – so wird heute oft das typische Geräusch des Blinkrelais entweder per Lautsprecher oder mit einem Relais erzeugt, das keine Last schaltet.
In den elektromechanischen Vermittlungsstellen und Telefonanlagen wurden Relais in großem Umfang eingesetzt. Sie dienten der logischen Ablaufsteuerung beim Auf- und Abbau der Wählverbindungen. Dabei waren den Teilnehmern in der Teilnehmerschaltung, sowie dem Koppelfeld, das meist aus Wählern bestand, Relais fest zugeordnet. Zu den wichtigsten Vertretern dieser Art von Relais, die heute nur noch sehr vereinzelt anzutreffen sind, zählen das Flachrelais, das Rundrelais, das ESK-Relais und als Relais mit speziellem Aufgabengebiet z. B. das Prüfrelais 55.
Elektromagnetische Relais können nicht ohne weiteres mit Wechselspannung betrieben werden, da das Magnetfeld, das den Anker halten soll, sich dauernd umpolt und daher zwischenzeitlich zu schwach beziehungsweise null ist. Der Anker zieht zwar in der Regel bei Spannungen mit Netzfrequenz an, klappert aber und ein präzises Schalten der Kontakte ist nicht sichergestellt. Folgende Relais können mit Wechselstrom betrieben werden:
Das Drehspulrelais ist ein mit einem Dauermagneten polarisiertes Spezialrelais für kleine Leistungen. Der Aufbau entspricht einem Drehspulmesswerk mit einer drehbar gelagerten Spule, außen liegenden Permanentmagneten und einer Rückzugfeder. Statt eines Zeigers vor einer Anzeigeskale werden bei dem Drehspulrelais Kontakte bei bestimmten Drehwinkeln der Drehspule ausgelöst. Prinzipbedingt durch den Dauermagneten können Drehspulrelais nur Gleichgrößen wie Gleichspannung erfassen, weshalb sie in Wechselspannungsanwendungen mit Brückengleichrichtern kombiniert werden.
Anwendung fand das Drehspulrelais in verschiedenen Formen des elektrischen Netzschutzes in elektrischen Energienetzen wie dem Distanzschutzrelais. Bei Überschreiten bestimmter, vorab am Drehspulrelais eingestellter Grenzwerte wurden automatisch entsprechende Warn- und Abschaltkontakte ausgelöst, welche in Umspannwerken die zugeordneten Leistungsschalter auslösen.
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Diese Relais sind zusätzlich mit einer mehr oder weniger aufwändigen Mechanik oder Elektronik versehen.
Schrittschaltrelais wurden zur Steuerung in historischen Telefonanlagen, Ampelschaltungen oder auch Waschautomaten benutzt.
Zeitrelais gibt es in elektronischer oder elektromechanischer Ausführung, sie werden zur zeitlichen Ablaufsteuerung in Maschinen und Geräten eingesetzt.
Eine Form des Zeitrelais ist das Impulsrelais. Es schaltet nach Erhalt eines Aktivierungsimpulses den Kontakt für eine definierte Zeitspanne, arbeitet also analog zu einer monostabilen Kippstufe. Ein typisches Beispiel ist ein Treppenhausschalter.
Ein Wischerrelais (siehe auch Wischkontakt) ist ein Impuls- oder ein bistabiles Relais, das speziell auch auf sehr kurze („gewischte“) Impulse anspricht.
Überwachungsrelais melden mithilfe eines Sensors die Über- oder Unterschreitung bestimmter voreingestellter Werte. So können beispielsweise Temperaturen, Flüssigkeitsstände, Spannungen, Asymmetrien in Drehstromnetzen mittels Asymmetrierelais oder beliebige andere physikalisch messbare Größen überwacht werden.
In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Kennwerte aufgelistet, über die ein Relais spezifiziert wird. Darüber hinaus ist natürlich noch eine Maßzeichnung, Anschlussbelegung usw. interessant. Die Beispiele betreffen ein typisches 12-V-Kfz-Relais.[3]
| Kennwert | Erläuterung | Beispiel |
|---|---|---|
| Spule | ||
| Nennspannung | Nenn-Betriebsspannung (Arbeitsbereich), Stromart der Relaisspule | 12 V (10…16 V) DC |
| Spulenstrom oder -widerstand | Spulenstrom bei Nennspannung | 117 mA / 103 Ω |
| Anzugsspannung | Typische Spannung, bei der der Anker anzieht | 3…7 V |
| Abfallspannung | Typische Spannung, bei der der Anker abfällt. Sie ist geringer als der Anzugsstrom bzw. die Anzugsspannung. Dadurch kann ein Relais z. B. auch bei Fremdeinspeisung mit niedrigerer Spannung (ungewollt) angezogen bleiben. | 1,2…4,2 V |
| Kontakte | ||
| Kontaktausführung | Anzahl und Art der Schaltkontakte | 1 × Ein (SPST) |
| Schaltstrom | Strom, der ein-/ausgeschaltet werden kann, abhängig von der Last und der Stromart | 100[4]/40 A |
| Dauerstrom | Strom, der im eingeschalteten Zustand maximal dauernd fließen darf (thermische Dauerstrom-Belastbarkeit), liegt meist über dem Abschaltstrom | 40 A |
| Schaltspannung | Spannung, die maximal geschaltet werden kann, abhängig vom Lastverhalten und der Stromart | ca. 35 V DC @ 10 A |
| Umgebungstemperatur | Temperaturbereich, in dem das Relais betrieben werden darf | −40…+85 °C |
| Prüfspannung | Spannung, die zwischen dem Spulenstromkreis (Wicklung) und dem Kontaktstromkreis maximal anliegen darf | 500 V AC |
| Elektrische Lebensdauer | Anzahl der Schaltvorgänge, die die Kontakte bei einer spezifizierten Belastung unter Einhaltung der elektrischen Parameter überstehen | 100.000 bei 20 °C / 14 V DC / 40 A |
| Mechanische Lebensdauer | Anzahl der Schaltvorgänge, die die Mechanik bei einer spezifizierten Umgebung übersteht | 1.000.000 bei 20 °C |
| Spannungsabfall oder Kontaktwiderstand | Maximaler Spannungsabfall bei einem spezifizierten Strom oder Kontaktwiderstand über den Schaltkontakten | 2 mΩ (zu Beginn) |
| Kontaktwerkstoff | Material der Kontakte, meist Legierungen (hohe Schaltleistungen) oder Edelmetalle (Signalzwecke) | Silberlegierung |
| Gesamtsystem | ||
| Ansprechzeit | Typische/maximale Zeit zwischen Anliegen der Betätigungsspannung und Schließen der Kontakte | 6,5/15 ms |
| Rückfallzeit | Typische/maximale Zeit zwischen Unterschreiten des Haltestromes und Öffnen der Kontakte | 2/15 ms |
| Schaltfrequenz | Maximale Betätigungsfrequenz des Relais | nicht spezifiziert |
| Vibrations- und Stoßfestigkeit | Beschleunigung bei Stoß/Rütteln (Frequenzbereich), bei denen das Relais keine mechanischen Beschädigungen erleidet, die Funktion erhalten bleibt und die Kontakte zuverlässig in der jeweiligen Position bleiben | 20 g / 4,5 g (10…100 Hz) |
Info: Die existierende und hergestellte Typen-Vielfalt von Relais und deren nationalem und internationalem Einsatz in differenzierenden Betriebsbedingungen machen Normierungen zu Empfehlungen, die zudem durch nummerisch/textliche Symbol-Interpretation der PC/Mikrocontroller/SPS-Programme nicht zu vereinheitlichen ist
Üblich sind beispielsweise:
Bedeutung 1. Ziffer und 2. Ziffer:[6]
Um sicher zu gehen, studiere man das ausgewählte Relais mit seinen Datenblatt und Referenzen!
Haben Relais mehrere Betätigungsspulen, so werden die weiteren Spulen mit A3/A4 usw. bezeichnet. Die vordere Ziffer der Kontaktbezeichnung wird bei einem Relais mit mehreren Kontakten numerisch erhöht, die hintere gibt die Art des Relais-Kontaktes an. So bezeichnet z. B. 53/54 das 5. Schaltglied, dessen Kontakt als Schließer funktioniert.
Im (deutschen) Fernmeldewesen ist folgende Regelung üblich (DIN 41220): Man bezeichnet:
In Datenblättern und Vergleichstabellen zu Relais findet man häufig englische Abkürzungen für die Anzahl der Schaltkontakte und -positionen:
Einige Beispiele:
| SPST NO = Single Pole, Single Throw, Normally Open – Einpoliger Schalter mit Arbeitskontakt |
| SPDT – Einpoliger Umschalter (auch: SP CO) |
| DPST NO – Zweipoliger Einschalter |
| DPDT – Zweipoliger Umschalter (auch: DP CO) |
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 diesen zerstören.
Um die Zerstörung des Schalttransistors (T1 in der Abbildung) zu verhindern, schließt man diese Gegenspannung durch eine Freilaufdiode (D1 in der Abbildung) kurz bzw. begrenzt sie auf die Vorwärtsspannung der Diode. Allerdings führt das dazu, dass das Magnetfeld in der Spule langsamer zusammenbricht und sich die Abschaltzeit des Relais deutlich verlängert.
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 der Nennspannung des Relais entsprechen sollte – das Magnetfeld in der Spule kann deutlich schneller zusammenbrechen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Sperrspannung des Schalttransistors immer noch größer als Betriebsspannung plus Zenerspannung sein muss, um seine Zerstörung zu verhindern.
Es gibt noch weitere Schutzschaltungen, zum Beispiel mit parallelem Schutzwiderstand oder mit auf die Induktivität der Spule abgestimmtem RC-Glied (snubber). Diese Maßnahmen arbeiten polaritätsunabhängig und sind auch für Relais mit Wechselspannungs-Betätigung geeignet.
Einige Relaistypen haben bereits eine Freilaufdiode oder einen Schutzwiderstand eingebaut.
Weiterhin gibt es spezielle, zum Schalten induktiver Lasten geeignete Schalttransistoren, die ihrerseits eine Begrenzerdiode eingebaut haben (z. B. der Darlington-Transistor 2SD1843).
Erfunden wurde das Relais 1835 während der Weiterentwicklung der elektromagnetischen Telegraphie und 1844 erhielt es seinen Namen. Die Idee eines Telegraphen existierte zwar schon seit Mitte des 18. Jahrhunderts, 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 zu regenerieren. Damit war die Grundlage geschaffen, Impulse über weite Strecken zu übertragen.
Ein wesentlicher Impuls zur weiteren Verbreitung des Relais war die Einführung der Teilnehmerselbstwahl in der Fernsprechvermittlungstechnik Ende des 19. Jahrhunderts. Die erste Selbstwähleinrichtung in Deutschland wurde am 10. Juli 1908 in Hildesheim für den Ortsverkehr mit 900 Teilnehmern in Betrieb genommen. Der nationale Fernsprechverkehr wurde ab 1923 nach und nach automatisiert und wäre ohne den massiven Einsatz der Relaistechnik nicht denkbar gewesen.
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 1940er Jahre weitgehend durch Elektronenröhren ersetzt. Später wurde die Funktion von Transistoren und Integrierten Schaltkreisen (IC) übernommen.
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