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Relais

     

      

Was ist ein Relais?

Ein Relais ist ein elektrisches Bauteil, das zum Schalten von Strömen dient. Der anliegende Steuerstrom bestimmt, ob das Relais geöffnet oder geschlossen ist. Ist das Relais geöffnet, wird der Laststromkreis an den Verbraucher freigegeben, der sich hinter dem Relais im Stromkreis befindet. Der Steuerstrom ist häufig an eine Logik gebunden. So kann zum Beispiel festgelegt werden, dass der Steuerstrom zur Öffnung des Relais erst dann fließt, wenn ein Bewegungs- oder Lichtsensor angesprochen wird oder wenn die Zeitsteuerung einer Computer-Software dies vorsieht.

Wie funktioniert ein elektromechanisches Relais?

Ein elektromechanisches Relais arbeitet mit einem Elektromagneten. Fließt der Steuerstrom im Steuerstromkreis, wird ein magnetischer Fluss im ferromagnetischen Kern des Relais induziert. Dies beeinflusst den ebenfalls ferromagnetischen Anker. Bewegt er sich aufgrund des magnetischen Flusses im Kern, werden durch den Anker die Arbeitskontakte im Relais geschlossen, wodurch der Laststromkreis geschlossen wird und der hinter dem Relais befindliche Verbraucher versorgt werden kann.

Einsatzgebiete von Relais

Relais werden wie Schalter zum Schalten von Strömen verwendet. Während bei Schaltern die Betätigung jedoch in der Regel mechanisch, also durch manuelle physikalische Einwirkung, geschieht, werden Relais zur automatischen Schaltung von Strömen verwendet. Verwendbar sind Relais beispielsweise in folgenden Szenarien:

  • Schaltung eines Laststromkreises immer dann, wenn ein anderer Laststromkreis in Betrieb genommen wird. So soll beispielsweise in einem Stromkreis immer ein LED-Lämpchen leuchten, wenn der Laststromkreis eines elektrischen Verbrauchers in Betrieb ist (potentialgetrenntes Schalten zweier im Austausch befindlicher Stromkreise).
  • Zum Verstärken elektrischer Leistungen mit niedriger Leistung durch Induktion (Schaltverstärkerprinzip).
  • Um den Laststromkreis softwaregesteuert zu schalten. Das einfachste Szenario ist beispielsweise, dass ein Raspberry Pi oder eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) das Relais genau dann schaltet, wenn sich das Eingangssignal eines Sensors ändert oder ein Benutzer in einer Software eine bestimmte Eingabe vornimmt.

Welche Arten von Relais gibt es und welche Eigenschaften weisen sie auf?

Im Online-Shop von Conrad ist eine Vielzahl verschiedener Relais für den professionellen Einsatz  erhältlich. Die Produkte sind in folgende Kategorien unterteilt:

Das Prinzip der elektromechanischen Relais (EMR) wurde bereits beschrieben. Sie sind bis zu 20 Prozent günstiger als die teureren Halbleiter-Relais. Zudem ist ihre Leistungsaufnahme wesentlich geringer, weshalb sie sich vor allen Dingen für niedrige Stromleistungen eignen. Im Gegensatz zu Halbleiter-Relais haben EMR in der Regel keine so hohen Wärmeverluste im Laststrompfad. Während Halbleiter-Relais häufig auf einen Kühlkörper montiert werden müssen, ist das bei elektromagnetischen Relais nicht nötig. 

Das Prinzip der elektromechanischen Relais (EMR) wurde bereits beschrieben. Sie sind bis zu 20 Prozent günstiger als die teureren Halbleiter-Relais. Zudem ist ihre Leistungsaufnahme wesentlich geringer, weshalb sie sich vor allen Dingen für niedrige Stromleistungen eignen. Im Gegensatz zu Halbleiter-Relais haben EMR in der Regel keine so hohen Wärmeverluste im Laststrompfad. Während Halbleiter-Relais häufig auf einen Kühlkörper montiert werden müssen, ist das bei elektromagnetischen Relais nicht nötig. 

Diese Schwachstelle der Halbleiter-Relais trifft nicht auf PhotoMOS-Relais zu. In ihrem Fall macht sich jedoch im Vergleich zu den elektromechanischen Relais ein hoher Kontaktwiderstand bemerkbar. Sie haben außerdem durchschnittlichniedrigere Spannungsabfälle im Laststromkreis als Halbleiter-Relais. Elektromechanische Relais können nicht ohne Weiteres mit Wechselspannung betrieben werden, da sich das Magnetfeld ständig umpolt und daher der Anker nicht ständig gehalten werden kann. Deswegen gibt es spezielle Phasen- oder Spaltpolrelais für diesen Zweck. Ein Gleichstromrelais können Sie nur mit einem vorgeschalteten Gleichrichter an eine Wechselspannung anschließen.

Halbleiter-Relais (englisch: Solid State Relais, kurz SSR) sind elektronische Relais, die mit elektronischen Schaltern wie Transistoren, Thyristoren oder Triacs realisiert werden. Sie eignen sich zum Schalten von ohmschen und induktiven Lasten. Die galvanische Trennung wird hier meist über PhotoMOS-Übertragung bewerkstelligt. Halbleiter-Relais sind teurer als elektromagnetischen Relais, glänzen aber durch eine niedrigere Signalverfälschung. Das ist beispielsweise bei Thermoelementen oder bei Mikrofonen wichtig. Während sich bei elektromagnetischen Relais der Signalweg durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus der beiden Leitermaterialien merkbar verfälschen kann (Thermospannung), hat die durch freie Ladungsträger im Halbleiter erzeugte sogenannte Offset-Spannung einen wesentlich geringeren Einfluss auf das Signal.

Da Halbleiter-Relais ohne bewegliche Teile arbeiten, sind sie in der Regel langlebiger und für widrige Umweltbedingungen geeignet, etwa für den Einsatz in der Nähe explosiver Gasgemische. Es entsteht kein Schaltgeräusch und die Halbleiter-Relais sind unempfindlich gegenüber Schüttel- und Stoßbelastung. Da kein Ferromagnet verbaut ist, werden diese Relais nicht so leicht von magnetischen Feldern gestört. Sie werden zudem in Umgebungen genutzt, in denen hohe Schaltgeschwindigkeiten oder niedrige Schaltfrequenzen benötigt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Relais ist, dass es bei ihnen kein „Kontaktprellen“ gibt. Mit diesem Begriff bezeichnet man ein Phänomen, wenn es anstatt des sofortigen Schließen eines elektrischen Kontakts stattdessen zuvor zum mehrfachen Öffnen und Schließen des Kontaktes kommt. 

Ein wichtiges Merkmal von Halbleiter-Relais: Mit Ausnahme von Triac- und PhotoMOS-Empfängern ist bei ihnen im Laststromkreis nur eine Stromrichtung möglich. Beim Einsatz von Halbleiter-Relais mit Optokopplern muss außerdem beachtet werden, dass diese in der Regel nicht für Umgebungstemperaturen über 85°C zugelassen sind. Stromversorgungen, die über Optokoppler aufgebaut wurden, haben eine geringe Bandbreite von maximal 25 kHz und reagieren daher träge auf Änderungen in der Eingangsspannung. Da Optokoppler einen verhältnismäßig hohen Stromverbrauch haben, sollten sie beispielsweise nicht für Standby-Schaltungen genutzt werden.

Schütze wiederum sind spezielle Relais für den Einsatz in der Starkstromtechnik. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die elektrische Spannung sowie die Stromstärke im Laststromkreis um ein Vielfaches höher als in der Spule des Steuerkreises sein können. Weiterhin verfügen sie in der Regel über mehrere Schaltkontakte, die zum Schalten von Drehstromverbrauchern gebraucht werden.

Printrelais, auch bekannt als „Kleinrelais“, werden im Niederspannungsbereich eingesetzt.

Interface-Relais sind Relais mit speziellen Eingängen für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen), Industrie-PCs, Feldbussystemen und anderen softwaregesteuerten Controllern. Sie werden häufig eingesetzt, wenn softwaregesteuert Ströme geschalten werden sollen.

Zeitrelais sind Relais mit einem Zeitglied. Dies ermöglicht eine Verzögerung der Ein- oder Ausschaltzeit und ist beispielsweise in der Automatisierungstechnik vorteilhaft.

Wichtige Kriterien beim Kauf von Relais

Schutz gegen äußere Belastungsfaktoren

Relais können je nach Anforderung gegen bestimmte äußerliche Einflüsse baulich geschützt sein. So gibt es staubgeschützte Relais und waschdichte Relais, die durch eine Abdichtung mit Gießharz abgedichtet sind. Gasgeschützte Relais sind in einem mit Schutzgas gefüllten Glasrohr eingeschmolzen, während Vakuumrelais in diesem Glasrohr gasfrei sind.

Kriterien nach Abschaltverhalten

Nach den Gebrauchskategorien EN 60947-4-1 und EN 60947-5-1 werden Relais nach ihrem Abschaltverhalten kategorisiert. Je nach Kategorie eignen sie sich jeweils für elektromagnetische oder ohmsche Last oder andere spezielle Einsatzbereiche. Ebenso bestimmt die Kategorie die Anzahl der Phasen und damit die Stromart.

Schalt- und Steuerspannung

In einem Relais unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei Spannungen

  • Die Steuerspannung ist die Spannung, die im Steuerstromkreis anliegen muss, damit das Relais einen Wechsel des Schaltzustandes auslöst. Hierfür gibt es in der Regel einen Minimal- und einen Maximal-Wert, in dessen Bereich geschalten wird.
  • Die Schaltspannung ist die Spannung, die nach dem Öffnen im Laststromkreis anliegen darf. Das ist also die Spannung, die mit der Steuerspannung problemlos im Laststromkreis geschalten werden kann. Auch hierfür gibt es in der Regel einen Wert für Minimum und Maximum.

Laststromwert

Der Laststromwert bestimmt die Stromstärke, die höchsten im Laststromkreis dauerhaft auftreten darf. Ist die Stromstärke im Laststromkreis stärker als angegeben, muss ein anderes Relais verwendet werden.

Stoßstrom

Der sogenannte Stoßstrom bemisst die Stromstärke, die im Laststromkreis bei Maximalspannung entstehen kann. Der Stoßstrom ist in der Regel niedrig, wenn das Relais zum Zeitpunkt der Spannungsspitze geschalten wird, und hoch, wenn er zum Zeitpunkt eines Spannungsnullpunktes geschalten wird. Daher haben nullspannungsschaltende Relais in der Regel einen hohen Wert für den Stoßstrom. Ein hoher Stoßstrom kann zu Problemen führen. Beispielsweise kann das hinter dem Relais liegende Bauteil beschädigt werden, wenn es einen derart hohen Stoßstrom nicht verträgt, oder es kommt bei Lampen zu einem Lichtbogen beim Ausschalten.

Was bedeutet „nullspannungsschaltend“?

Die Versorgungsspannung in üblichen Haushalts- und Industriestromkreisen verläuft nicht stetig, sondern in einer Sinuskurve. Schaltet man ein Gerät zu einem Zeitpunkt ein oder aus, an dem die Spannung gerade nicht null ist, entstehen starke hochfrequente Störungen (sogenannte Einschalt- oder Abschaltflanke). Um dies zu vermeiden, kann das Relais so konzipiert sein, dass es den Verbraucher immer nur im Nullspannungsdurchlauf schaltet, also zu dem Zeitpunkt, wenn die Spannung gerade bei null liegt.

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