Ein Relais ist ein elektrisch betätigter Schalter, der verwendet wird, um eine hohe Spannung oder einen hohen Strom mit einem kleinen Signal zu steuern. Es bietet eine galvanische Trennung zwischen Steuer- und Laststromkreisen und verbessert so die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Relais werden in Energiesystemen, Maschinen, Fahrzeugen und in der Automatisierung eingesetzt. In diesem Artikel werden die Funktionsweise von Relais, ihre Teile, Typen, Nennwerte, Anwendungen, Fehler und Designtipps im Detail erläutert.
Übersicht über das Relais
Ein Relais ist ein elektrisch betätigter Schalter, der so konzipiert ist, dass ein kleiner, geringer Strom einen viel größeren Strom steuern kann, was ihn zu einem grundlegenden Bestandteil moderner elektrischer und elektronischer Schaltungen macht. Diese Fähigkeit ist in Anwendungen erforderlich, bei denen die direkte Steuerung von Hochspannungs- oder Hochstromgeräten Sicherheitsrisiken darstellen oder die Effizienz verringern könnte. Durch die Isolierung der Steuer- und der Leistungsseite schützen Relais empfindliche Stromkreise mit geringer Leistung vor Spannungsspitzen, Überspannungen und anderen potenziell schädlichen elektrischen Belastungen. Über die Sicherheit hinaus ermöglichen Relais die Automatisierung, sodass Steuerungen, Mikrocontroller und Sensoren schwere Lasten wie Motoren, Beleuchtungssysteme, HLK-Geräte und Industriemaschinen zuverlässig betreiben können.
Funktionen des Relais
Ein Relais ist eine Art Schalter, der Strom verwendet, um andere Stromkreise zu steuern. In einem Relais befindet sich eine Drahtspule. Wenn Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld zieht ein kleines Metallstück, das als Anker bezeichnet wird, das sich bewegt und die Position der Kontakte verändert. Die Kontakte sind entweder geschlossen, um Strom durchzulassen, oder offen, um den Fluss zu stoppen.
Der Prozess funktioniert in Schritten:
• Die Spule erhält Strom - es bildet sich ein Magnetfeld.
• Anker bewegt sich - Kontakte schalten sich ein oder aus.
• Windung schaltet sich ab - eine Feder fährt den Anker zurück in seine Ausgangsposition.
Komponenten eines Relais
Das Relais ist ein elektrischer Schalter, der einen Elektromagneten zum Betrieb verwendet. Der wichtigste induktive Teil ist die Spule und der Kern, der eine magnetische Kraft erzeugt, wenn ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt. Diese Baugruppe ist oft durch ein Gehäuse geschützt.
Der mechanische Schaltmechanismus umfasst den Anker, der sich als Reaktion auf die Magnetkraft bewegt und eine mechanische Vorspannung für den Betrieb bereitstellt. Eine Feder sorgt dafür, dass der Anker wieder in seine ursprüngliche Position gebracht wird, wenn das Magnetfeld entfernt wird. Diese Feder wird oft aus einer Silberlegierung für die Leitfähigkeit hergestellt.
Die elektrische Schalthandlung findet an den Kontakten statt: Der bewegliche Kontakt wird physisch durch den Anker bewegt, um Stromkreise zu verbinden oder zu trennen, während die festen Kontakte (Schließer/Öffner) den Schließer- (NO) oder Öffnerzustand (NC) des Relais darstellen und die Standardverbindung des Stromkreises bestimmen.
Spezifikationen der Relaisspule
| Parameter | Was das bedeutet | Beispiel (5 V Relais) |
|---|---|---|
| Widerstand der Spule | Der Widerstand der Spule, berechnet als Spannung geteilt durch Strom. | R = 5 V ÷ 0,07 A = 71 Ω |
| Spulen-Leistung | Die Menge an elektrischer Leistung, die die Spule verbraucht, berechnet als Spannung mal Strom. | P = 5 V × 0,07 A = 0,35 W |
| Einzugsspannung | Die Spannung, bei der das Relais zu schalten beginnt. In der Regel etwa 75–80 % der Nennspannung. | 3,8–4 V |
| Drop-Out-Spannung | Die Spannung, unterhalb derer sich das Relais abschaltet. In der Regel etwa 10–30 % der Nennspannung. | 1–1,5 V |
Schalten des Relaiskontakts
AC-Schalten
Beim Schalten von AC-Lasten fließt der Strom in jedem Zyklus des Wechselstroms natürlich durch Null. Dies hilft, Lichtbögen zu stoppen, die sich beim Öffnen von Kontakten bilden können, wodurch das Schalten von Wechselstrom einfacher und weniger schädlich für die Relaiskontakte wird.
DC-Schaltung
DC ist konstant und geht nicht durch Null. Dadurch ist es wahrscheinlicher, dass sich beim Öffnen von Kontakten ein Lichtbogen bildet. Diese Lichtbögen können die Kontakte beschädigen oder verschweißen, daher ist bei der Verwendung von Relais mit Gleichstromlasten besondere Vorsicht geboten.
Methoden zur Vermeidung von Lichtbögen
• Flyback-Dioden: Werden häufig für Gleichstromlasten verwendet, um den Strom sicher umzuleiten.
• RC-Snubber: Wird sowohl für AC als auch für DC verwendet, um Spannungsspitzen zu begrenzen.
• Metalloxid-Varistoren (MOVs): Unterdrücken Sie Hochspannungstransienten und schützen Sie Kontakte.
Gängige Relaistypen und ihre Anwendungen
| Relais-Typ | Vorteile | Typische Anwendungen |
|---|---|---|
| Elektromechanisches Relais (EMR) | Kostengünstig, bietet eine klare galvanische Trennung zwischen Steuer- und Laststromkreisen | Wird in industriellen Steuerungen, Haushaltsgeräten und Automobilsystemen verwendet |
| Reed-Relais | Schnelle Schaltgeschwindigkeit, kompakte Größe, zum Schutz abgedichtet und geeignet für Niedrigstromsignale | Wird häufig in Kommunikationsgeräten, Prüfinstrumenten und Signalrouting-Systemen verwendet |
| Halbleiterrelais (SSR) | Keine beweglichen Teile, geräuschloser Betrieb, hohe Schaltgeschwindigkeit und lange Lebensdauer | Ideal für Automatisierung, Heizungssysteme und Anwendungen, die häufiges Umschalten erfordern |
| Relais mit Verriegelung | Behält seine Position auch nach Abschaltung der Stromversorgung bei, energieeffizient | Verwendung in Speicherschaltungen, batteriebetriebenen Systemen und Fernbedienungen |
Was ist besser?
Jeder Relaistyp ist je nach den Anforderungen der Schaltung für bestimmte Situationen am besten geeignet. Elektromechanische Relais sind einfach und kostengünstig und daher für viele grundlegende Steuerungssysteme nützlich. Reed-Relais sind besser, wenn ein schnelles Ansprechverhalten und ein Betrieb mit niedrigem Strom erforderlich sind, da sie schnell schalten und zum Schutz abgedichtet sind.
Halbleiterrelais sind für ihre leise und effiziente Leistung bekannt, da sie keine beweglichen Teile haben und daher für Schaltungen geeignet sind, die häufig geschaltet werden müssen. Verriegelungsrelais helfen, Energie zu sparen, da sie in einer Position bleiben können, ohne Dauerstrom zu verbrauchen.
Relaisausfälle und ihre Lösungen
| Häufiger Fehler | Ursache | Fix / Vorbeugende Maßnahme |
|---|---|---|
| Kontaktlochfraß oder Schweißen | Tritt auf, wenn übermäßiger Strom oder Lichtbögen die Relaiskontakte beschädigen | Verwenden Sie Kontakte, die für die richtige Last ausgelegt sind, und schließen Sie Lichtbogenlöscheinrichtungen wie Snubber-Schaltkreise ein |
| Durchbrennen der Spule | Passiert, wenn die Spule einer höheren Spannung oder einem kontinuierlichen Überstrom ausgesetzt ist | Betrieb innerhalb der Nennspulenspannung und Verwendung von Schutzkomponenten zur Begrenzung der Überspannung |
| Kontakt Bounce oder Chatter | Folgen von Vibrationen, schlechter Montage oder schwacher Spulenmagnetkraft | Gewährleisten Sie eine feste Relaismontage, die richtige Spulenantriebsspannung und ein hochwertiges Relaisdesign |
| Oxidation oder Korrosion | Verursacht durch Feuchtigkeit, Staub oder den Kontakt mit rauen Umgebungen | Verwenden Sie abgedichtete Relais oder Relais mit vergoldeten Kontakten für Schwachstromsignale |
Verschiedene Anwendungen von Relais
• Scheinwerfer und Nebelscheinwerfer
• Steuerung des Anlassers
• Motorstarter
• Steuerung des Förderbandes
• Intelligente Lichtsteuerung
• Geräteschaltung
• Überstromschutz
• Erdschlussschutz
• Leitungsschaltung
• Signal-Routing
• Lautsprecher-Schutzschaltungen
• Kühlschränke (Kompressorrelais)
•Waschmaschinen
Fazit
Relais sind die Grundlage für die sichere und zuverlässige Steuerung von Stromkreisen. Ihre Fähigkeit, Signale zu isolieren, verschiedene Lasten zu verarbeiten und die Automatisierung zu unterstützen, macht sie in vielen Systemen nützlich. Bei richtiger Auswahl, richtiger Verdrahtung und guten Designpraktiken bieten Relais eine lange Lebensdauer und eine stabile Leistung. Das Verständnis ihrer Funktionsweise und Spezifikationen ist für den Aufbau sicherer und effizienter Schaltkreise erforderlich.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Frage 1. Was ist Relaiskontaktmaterial?
Es ist das Metall, das für Relaiskontakte wie Silber, Gold oder Wolfram verwendet wird. Es beeinflusst die Leitfähigkeit, die Lichtbogenbeständigkeit und die Kontaktlebensdauer.
Frage 2. Was ist Relaishysterese?
Es ist die Differenz zwischen der Spannung, die das Relais einschaltet (Pull-In) und der Spannung, die es ausschaltet (Drop-Out). Es verhindert Geschwätz.
Frage 3. Kann ein Relais sowohl AC- als auch DC-Lasten schalten?
Ja, aber die AC- und DC-Nennwerte sind unterschiedlich. Gleichstromlasten sind schwieriger zu schalten und benötigen niedrigere Spannungs- und Stromgrenzen.
Frage 4. Warum eine Relaisbuchse verwenden?
Es ermöglicht einen einfachen Austausch von Relais, schützt Relaisstifte vor Beschädigungen und verbessert die Sicherheit der Verkabelung.
Frage 5. Was bedeutet SPDT oder DPDT in Relais?
Diese beschreiben Kontaktkonfigurationen. SPDT steuert einen Stromkreis mit zwei Ausgängen. DPDT steuert zwei getrennte Kreisläufe gleichzeitig.
Frage 6. Was ist der Unterschied zwischen Schließer- und Öffnerkontakten?
NO-Kontakte (Normally Open) schließen, wenn das Relais mit Strom versorgt wird. NC-Kontakte (Normally Closed) öffnen, wenn das Relais mit Strom versorgt wird.