Relais

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Elektrische Relais sind grundlegende Bauteile in der Elektrotechnik und Automatisierungstechnik. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung von elektrischen Schaltkreisen und ermöglichen es, elektrische Signale zu verstärken, zu isolieren und zu steuern. In diesem Artikel werden wir uns ausführlich mit elektrischen Relais befassen, von ihren Grundlagen bis zu ihren verschiedenen Typen und Anwendungen. 

Grundlagen der elektrischen Relais 

Was ist ein Relais? 

Ein elektrisches Relais ist im Wesentlichen ein elektromechanisches Schaltgerät, das dazu dient, einen elektrischen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen, basierend auf einem elektrischen Eingangssignal. Es handelt sich um eine Art Schalter, der von einem elektromagnetischen Feld gesteuert wird. Das Relais besteht aus mehreren Hauptkomponenten: 

1. Spule: Die Spule ist ein Drahtwicklung, die um einen Kern gewickelt ist. Wenn ein Strom durch die Spule fließt, erzeugt sie ein elektromagnetisches Feld. 
2. Kontakte: Das Relais verfügt über einen oder mehrere Schalterkontakte, die sich öffnen oder schließen, wenn das Relais aktiviert wird. 
3. Armaturen: Die Armaturen sind bewegliche Teile des Relais, die durch das elektromagnetische Feld bewegt werden und die Schalterkontakte beeinflussen. 

 

Funktionsweise eines Relais 

Die Funktionsweise eines Relais ist recht einfach. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, erzeugt diese ein Magnetfeld, das die Armaturen anzieht oder abstößt. Je nach Konfiguration des Relais öffnet oder schließt sich dadurch der Kontakt. Dies ermöglicht die Steuerung eines getrennten Stromkreises durch einen anderen. Gleichzeitig findet eine so genante "galvanische Trennung" statt. Ein Stromkreis wird durch einen anderen geschaltet, ohne das zwischen beiden eine elektrische Verbindung besteht.  

 

Typen von elektrischen Relais 

Es gibt verschiedene Arten von elektrischen Relais, die für verschiedene Anwendungen entwickelt wurden. Hier sind einige der häufigsten Typen: 

 

1. Elektromechanische Relais 

Diese Relais sind die traditionellsten und verwenden eine Spule (Steuerstromkreis), um mechanische Kontakte (Arbeitsstromkreis) zu betätigen. Sie sind robust und können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden.  

So werden sie beispielsweise häufig im KFZ-Bereich verwendet um große elektrische Verbraucher über kleine Schaltkontakte oder Transistoren in Steuergeräten zu schalten. Es genügt ein kleiner Strom aus einem Transistor um einen großen Stromfluss, für einen starken Verbraucher, zu schalten. 

Auch in der Hauselektrik lassen sich solche Relais sinnvoll einsetzen. Möchte man beispielsweise einen Verbraucher, welcher auf Phase 1 der Hauselektrik läuft, gleichzeitig zu einem Verbraucher auf Phase 2 einschalten, benötigt man dazu ein Relais. Hier geht es weniger um den zu schaltenden Strom, als um die galvanische Trennung beider Kreise. Durch die Phasenverschiebung herrscht zwischen beiden Phasen eine Spannungsdifferenz von bis zu 380 Volt. Würden diese direkt miteinander in Kontakt kommen, wäre das ein Kurzschluss. 

Jedoch haben herkömmliche Relais auch ihre Grenzen. Zwar können problemlos sehr große Ströme geschaltet werden, doch stoßen sie bei der Schaltfrequenz schnell an ihre Grenzen. Je nach Bauart des Relais, beschränkt sich diese nämlich auf paar wenige Schaltungen pro Sekunde, was sie für die Übertragung digitaler Informationen unbrauchbar macht. Auch kann es insbesondere beim Ausschalten zu einem so genannten Kontaktbrand kommen. Fließt zum Zeitpunkt des Ausschaltens ein großer Strom, kann ein Lichtbogen entstehen, welcher den Stromfluss noch für einige Zeit aufrecht erhält. Dabei entsteht eine starke Hitze, welche auf Dauer die Kontakte beschädigt. Daher ist die Lebensdauer von Relais auch nur verhältnismäßig kurz. 

Des weiteren stellt jede Spule auch eine Induktivität dar. Stellt man den Steuerstrom ab, um das Relais zu deaktivieren, fällt das Magnetfeld in der Spule zusammen und induziert kurzzeitig keine Spannung in Gegenrichtung. Diese Spannung kann ein vielfaches von der Spannung betragen, die zuvor das Magnetfeld aufrecht, und das Relais angezogen gehalten hat. Wurde das Relais zuvor durch einen Transistor, aus einem Steuergerät, angesteuert, könnte dieser durch den nun zurück schnellenden Stromimpuls beschädigt werden. Um das zu verhindern werden so genannte Freilaufdioden parallel zur Magnetwicklung verbaut. Diese werden in Gegenrichtung leitend und lassen den Storm auf direktem Weg zurück fließen, bis das Magnetfeld vollständig abgebaut ist, und schützen den Transistor davor zerstört zu  werden. 

 

2. Reed-Relais 

Reed-Relais verwenden magnetische Blätter oder Reeds, um die Kontakte zu schließen oder zu öffnen. Sie sind besonders nützlich in Anwendungen, bei denen eine hohe Isolierung erforderlich ist. 

Im Wesentlichen werden hier Spüle und Schaltkontakt in getrennte Gehäuse verbaut. Auch kann auf den Einsatz einer Spule komplett verzichtet werden wenn diese durch einen Permanentmagneten ersetzt wird. So lassen sich berührungslose Schalter konzipieren, beispielsweise in der Hausautomatisation als Fensterkontakt. Bewegt sich der Magnet, durch öffnen des Fensters, vom Reed-Relais weg, wird der Stromkreis unterbrochen. 

Auch im KFZ-Bereich kommen Reed-Relais zum Einsatz. So werden beispielsweise, bei einigen Herstellern, die Füllstandsensoren für den Vorratsbehälter der Scheibenwaschanlage so ausgeführt. In einer trockenen, von außen offenen, senkrechten Röhre im Behälter, wird das Reed-Relais von außen hineingeschoben. Außen um die Röhre herum, im Wasserbehälter, befindet sich dann ein Schwimmer, welcher einen Magneten beinhaltet. Bei leerem Behälter sinkt dieser zu Boden und der Reed-Kontakt wird geschaltet. 

Jedoch werden Reed-Relais heutzutage zunehmend von Hall-Sensoren verdrängt. Diese haben keinen mechanischen Kontakt mehr. Beim Hall-Effekt wird der Stromfluss, innerhalb eines elektrischen Leiters, durch ein nahendes Magnetfeld seitlich abgelenkt. Diese Ablenkung lässt sich per Microcontroller auswerten und mittels Transistor als Schaltsignal ausgeben. Dadurch haben Hall-Sensoren zwar einen höheren Stromverbrauch als Reed-Kontakte, welche tatsächlich selbst komplett passiv arbeiten und ohne Stromversorgung auskommen, doch sind sie auch erheblich robuster und langlebiger. Auch können sie wesentlich schnellere Frequenzen registrieren und verarbeiten. 

 

3. Solid-State-Relais 

Diese Relais verwenden Halbleiterbauelemente wie Transistoren oder Thyristoren, um die Kontakte zu steuern. Sie sind schnell, langlebig und geräuschlos, aber sie erfordern eine Kühlung. 

 

4. Zeitrelais 

Zeitrelais ermöglichen es, den Zeitpunkt des Schaltens zu programmieren. Sie sind in Anwendungen wie Beleuchtungssteuerung und Zeitverzögerungsschaltungen nützlich. 

Ein typischer Anwendungsfall wäre eine Treppenhausbeleuchtung. Durch einen Taster wird ein kurzer Stromimpuls an das Relais gegeben. Dieser bewirkt zum Einen das Anziehen des Relais, zum anderen wird eine Zeitschaltuhr gestartet, welche die Spannung am Steuerstromkreis des Relais aufrecht erhält, auch wenn der Taster nicht weiter gedrückt wird. Erst nach Ablauf der eingestellten Zeit wird der Stromfluss unterbrochen und das Licht ausgeschaltet. 

 

5. Schütz-Relais 

Schütze sind spezielle Relais, die für das Schalten von großen Strömen oder Leistungen ausgelegt sind. Sie finden in Industrieanlagen und Maschinen häufig Verwendung. 

Prinzipiell handelt es sich bei Schütz-Relais um traditionelle, elektromechanische Relais, wie wir sie in Punkt 1 bereits kennen gelernt haben. Sie sind meist in Gehäusen für die Hutschienenmontage verbaut, damit sie leicht in Schaltschränken untergebracht, und entsprechend verdrahtet werden können. In einem Gehäuse sind oft mehrere Relais gleichzeitig verbaut, oft in Kombination von mehreren Öffnern und Schließern. Damit lassen sich dann komplexe Schalt- und Steuerungsaufgaben realisieren.  

 

Anwendungen von elektrischen Relais 

Elektrische Relais werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wovon ich einige Beispiele bereits erläutert habe. 

 

1. Automobilindustrie 

In Fahrzeugen werden Relais verwendet, um die elektrische Stromversorgung für Beleuchtung, Motoren und andere Systeme zu steuern. Für gewöhnlich benötigt man sie hier um mit kleinen Strömen aus Steuergeräten, oder aus filigranen Schaltkontakten, große Verbraucher zu betreiben. 

Die Klemmen der Relais im KFZ-Bereich sind mit genormten Nummern beschriftet, so genanten Klemmbezeichnungen. Hierbei ist die Magnetwicklung immer zwischen Klemme 85 und 86 angeschlossen. Legt man hier Bordspannung an, zieht das Relais an und der Schaltkontakt wird geöffnet oder geschlossen. Dieser Schaltkontakt liegt zwischen Klemme 87 und 88 an. Je nach Bauart des Relais kann Klemme 87 auch in "a", "b", "c", usw. unterteilt sein, je nachdem wie viele Schaltausgänge das Relais besitzt. Genaue Informationen darüber, ob es sich jeweisl um einen Öffner- oder Schließerkontakt handelt, kann dem Schaltbild auf dem Relais entnommen werden. Klemme 88 ist der Eingang des zu schaltenden Arbeitsstromkreises. Wahlweise wird sie auch als Klemme 30 bezeichnet, insbesondere dann, wenn dieser Pin direkt an den Pluspol der Batterie angeschlossen wird. 

 

2. Industrielle Automatisierung 

In der industriellen Automatisierung werden Relais verwendet, um Maschinen und Anlagen zu steuern, indem sie verschiedene Aktionen auslösen, wie das Starten von Motoren oder das Öffnen und Schließen von Ventilen. Hier finden häufig Schütz-Relais Anwendung, um die komplexen Schaltlogiken zu realisieren.  

Die Klemmbezeichnungen bei Leistungsschützen sind oft nicht ganz so klar genormt, wie im KFZ-Bereich. Die Wicklung der Magnetspule geht für Gewöhnlich an die Klemmen mit der Bezeichnung A1 und A2. Alle weiteren Klemmen sind oft nur durchnummeriert. Genaue Bedeutung der Klemme ist dabei einem Schaltbild auf dem Bauteil, oder der beiliegenden Anleitung zu entnehmen. 

 

3. Gebäudeautomation 

In Gebäuden werden Relais verwendet, um die Beleuchtung, die Heizung, die Klimaanlage und andere elektrische Systeme zu steuern. In Unterverteilungen kommen hier häufig Zeitschaltuhren oder kleine Schütz-Relais zum Einsatz. Aber, wie bereits erwähnt, können auch Reed-Relais beispielsweise als Fensterkontakt verwendet werden.  

 

4. Telekommunikation 

Relais werden in Telefonnetzen und Kommunikationssystemen verwendet, um Signale zu verstärken und zu schalten. Allerdings wurden sie hier mittlerweile fast ausschließlich durch Transistoren ersetzt. Relais eignen sich, aufgrund ihrer geringen Schaltfrequenz, sowie der geringen Lebensdauer, kaum zur Übertragung und Verstärkung digitaler Informationen. 

 

5. Medizintechnik 

In medizinischen Geräten werden Relais eingesetzt, um verschiedene Funktionen zu steuern, wie das Schalten von Ultraschallgeräten oder Elektrokardiogramm-Maschinen. 

 

Fazit:

Elektrische Relais sind unverzichtbare Komponenten in der Elektrotechnik und Automatisierungstechnik. Sie ermöglichen die Steuerung von elektrischen Schaltkreisen, indem sie elektrische Signale verarbeiten und schalten. Mit verschiedenen Typen von Relais können eine breite Palette von Anwendungen abgedeckt werden, von der Automobilindustrie bis zur Medizintechnik. Das Verständnis der Grundlagen und der verschiedenen Typen von Relais ist entscheidend, um effektive elektrische Steuersysteme zu entwickeln und zu warten.