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Relais

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen werden unter Relais (Begriffsklärung) aufgeführt.

Ein Relais [rəˈlɛː] (Pl.: Relais [rəˈlɛːs]) ist ein durch elektrischen Strom betriebener, meist elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten.

Relais sind Bauelemente der Elektromechanik, sie werden hauptsächlich verwendet um

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

Ein mechanisches Relais arbeitet meist nach dem Prinzip des Elektromagneten. Ein Stromfluss in der Erregerspule erzeugt einen magnetischer 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.

Schematischer Aufbau


Als Beispiel ist hier ein Klappanker-Relais mit einem Schließer 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 laminierten Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird.

Begriffe

Man sagt, ein Relais arbeite als Ruhestromrelais, wenn es im „Normalfall“ angezogen ist, beispielsweise zur Überwachung von Netzausfall oder Drahtbruch, andernfalls wird es als Arbeitsstromrelais bezeichnet. Ein Kontakt wird als Schließer oder Arbeitskontakt bezeichnet, wenn er im Ruhezustand offen und im geschalteten Zustand geschlossen ist. Als Ruhekontakt oder Öffner wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er im geschalteten Zustand den Stromkreis unterbricht. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler oder Umschaltekontakt bezeichnet. Ein Relais kann einen oder mehrere solcher Kontakte haben.

Relaistypen

Unter den Relais gibt es eine sehr große Anzahl verschiedener Ausführungen und Bauformen. Darüber hinaus können Relais nach verschiedenartigen Gesichtspunkten typisiert werden, beispielsweise nach Anzahl der in stromlosem Zustand möglichen Schaltzustände, 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:

Kleinrelais

Zu den etwas unklar abgegrenzten Kleinrelais gehören eine Vielzahl meist im Niederspannungsbereich eingesetzten Relais, die oft zum Einbau auf Leiterplatten vorgesehen sind (Printrelais). Weitere Beispiele sind DIL-Relais, kammgeführte Relais, SMD-Miniaturrelais.

Schütze

→ Hauptartikel Schütz (Schalter)

Die Stromstärke und elektrische Spannung im Laststromkreis können um ein Vielfaches größer als in der Spule sein. Ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik wird Schütz genannt. 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.

Halbleiterrelais (Solid-State-Relais)

Halbleiterrelais oder Solid-State-Relais, abgekürzt SSR, (engl. solid state relay) sind keine eigentlichen Relais, obwohl sie im Allgemeinen in diese Kategorie einsortiert werden. Vielmehr handelt es sich bei ihnen um elektronische Bauelemente. Halbleiterrelais werden mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Sie arbeiten ohne bewegte Teile, sind daher sehr langlebig und sind auch für hohe Schalthäufigkeit und ungünstige Umweltbedingungen (wie Umgebungen mit explosiven Gasgemischen) geeignet. Mit Halbleiterrelais besteht auch die Möglichkeit, Wechselspannung während des Nulldurchganges zu schalten, womit störende Impulse vermieden werden können.
Eine galvanische Trennung wird bei Halbleiterrelais durch im Bauteil integrierte Optokoppler erreicht.
Halbleiterrelais haben gegenüber mechanischen Relais höhere Verluste im Laststrompfad und müssen daher oft auf eine Wärmesenke (Kühlkörper) montiert werden.

Eine Zwischenstellung zwischen Optokopplern und Halbleiterrelais nehmen sogenannte OptoMOS- bzw. PhotoMOS-Relais ein: sie arbeiten steuerungsseitig wie ein Optokoppler mit einer IR-Leuchtdiode und besitzen lastseitig MOSFET, mit denen sie kleine Gleich- und Wechselspannungen bei geringem Strom schalten können. Sie müssen nicht gekühlt werden und besitzen bei geringem Laststrom einen ähnlich geringen Spannungsabfall wie mechanische Signalrelais. Sie arbeiten verschleißfrei, besitzen jedoch keine Vorteile hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit.

Bistabile Relais

Bistabile Relais sind gekennzeichnet durch ihre Eigenschaft, dass sie im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Schaltzustände einnehmen können. Dazu gehören

Gepolte Relais

Bei gepolten Relais ist die Polarität der anzulegenden Erregerspannung festgelegt.

Relais in Kraftfahrzeugen

KFZ-Relais sind robust gebaute Relais, die den erhöhten Anforderungen in Kraftfahrzeugen besonders hinsichtlich Stoßfestigkeit und Temperaturbereich standhalten können. Sie arbeiten mit der Bordspannung von 12 oder 24 Volt 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 Gegenindultionsspannung der Spule.

Sonderfunktionen

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. Beispiele:

In den vielen dieser kleinen Steuergeräte ist zwar tatsächlich auch noch ein Relais enthalten, der Begriff Relais ist aber eher historisch bedingt. In modernen Autos werden die meisten Funktionen mittlerweile in größeren zentralen Steuergeräten integriert – so wird heute oft das typische, gewohnte Geräusch des Blinkrelais entweder per Lautsprecher oder mit einem Relais erzeugt, das keine Last schaltet.

Fernmelderelais

In den elektromechanischen Vermittlungsstellen und Telefonanlagen wurden Relais in großem Umfang eingesetzt. Sie dienten der logischen Ablaufsteuerung beim Auf- und Abbau der Wählverbindungen. Hierzu 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 48, das Rundrelais und das ESK-Relais.

Wechselstromrelais

Elektromagnetische Relais können nicht ohne weiteres mit Wechselspannung betrieben werden, da das Magnetfeld, das den Anker halten soll, sich dauernd umpolt. 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:

Weitere Relaistypen

Relais im weiteren Sinne

Diese Relais sind mit einer mehr oder weniger aufwändigen Mechanik oder Elektronik versehen.

Kennwerte des Relais

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 gängiges 12V-Relais aus dem Automobilbereich.

Kennwert Erläuterung Beispiel
Spule
Nennspannung Betriebsspannung der Relaisspule 12 V DC
Abfallerregung Stärke des magnetischen Feldes, bei der der Anker abfällt
Anzugsstrom oder -spannung Stromstärke/Spannung, bei der der Anker anzieht
Haltestrom oder -spannung Stromstärke/Spannung, bei der der Anker angezogen bleibt. Sie ist geringer als der Anzugsstrom bzw. die Anzugsspannung. Dadurch kann ein Relais z. B. auch bei Fremdeinspeisung mit niedrigerer Spannung (ungewollt) angezogen bleiben.
Abfallstrom oder -spannung Stromstärke/Spannung, bei der der Anker abfällt
Kontakte
Kontaktausführung Anzahl und Art der Schaltkontakte 2x Wechsler (DPDT)
Schaltstrom Wird meist unterschieden in den Strom, der ein- und ausgeschaltet werden kann, abhängig von der Last und der Stromart 16 A
Dauerstrom Strom, der im eingeschalteten Zustand maximal fließen darf (thermische Dauerstrom-Belastbarkeit), liegt meist über dem Schaltstrom 20 A
Schaltspannung Spannung, die maximal geschaltet werden kann, abhängig vom Lastverhalten und der Stromart 20 V DC
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 DC
Elektrische Lebensdauer Anzahl der Schaltvorgänge, die die Kontakte bei einer spezifizierten Belastung unter Einhaltung der elektrischen Parameter überstehen 250.000 bei 20 °C / 35 V DC / 16 A
Mechanische Lebensdauer Anzahl der Schaltvorgänge, die die Mechanik bei einer spezifizierten Umgebung übersteht 600.000 bei 20 °C
Spannungsabfall oder Kontaktwiderstand Maximaler Spannungsabfall bei einem spezifizierten Strom oder Kontaktwiderstand über den Schaltkontakten 20 mV
Kontaktwerkstoff Material der Kontakte, meist Legierungen (hohe Schaltleistungen) oder Edelmetalle (Signalzwecke) Ag/Ni
Gesamtsystem
Ansprechzeit Zeit zwischen Erreichen des Anzugstromes und Schließen der Kontakte 4 ms
Rückfallzeit Zeit zwischen Unterschreiten des Haltestromes und Öffnen der Kontakte 5 ms
Schaltfrequenz Maximale Betätigungsfrequenz des Relais 10 Hz
Vibrations- und Stoßfestigkeit Beschleunigung und Frequenz (die bei Bewegen und Rütteln des Relais auftreten), bei denen die Kontakte zuverlässig in der jeweiligen Position bleiben

Kennzeichnung eines Relais

Übliche Kennzeichnung der Anschlüsse

Haben Relais mehrere Betätigungs-Spulen, so werden die weiteren Spulen mit A3/A4 usw. bezeichnet. Die vordere Zahl der Kontaktbezeichnung wird bei einem Relais mit mehreren Kontakten numerisch erhöht.Die hintere Ziffer gibt die Art des Relais-Kontaktes an. So bezeichnet z.B. 53/54 den 5. Kontakt, der ein Schließer ist.

Im (deutschen) Fernmeldewesen ist folgende Regelung üblich (DIN 41220): Man bezeichnet:

Übliche Bezeichnung der Schaltkontakte

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)

Schalten von Relais mit Transistoren

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 den Transistor zerstören.

Um die Zerstörung des Schalttransistors (T1 in der Abbildung) zu verhindern, schließt man über das Einbringen einer Freilaufdiode (D1 in der Abbildung) diese Gegenspannung kurz bzw. begrenzt sie auf die Vorwärtsspannung der Diode. Allerdings führt das dazu, dass das Magnetfeld in der Spule langsamer zusammenbricht und sich die Schaltzeit des Relais deutlich verlängert – was wiederum durch einen stärkeren Schaltlichtbogen zu einer Verringerung der Lebensdauer der Schaltkontakte führt.

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.

Über die beiden hier vorgestellten Varianten hinaus gibt es noch weitere Variationen dieser Art der Schutzschaltung mit auf die Induktivität der Spule abgestimmten RC-Gliedern etc., die aber nicht so stabil arbeiten bzw. so einfach auszulegen sind.

Historisches zum Relais

Telegraphie

Das elektromagnetische Relais (EMR) wurde von Joseph Henry im Jahre 1835 erfunden, und diente schon damals zur Nachrichtenübermittlung vom Labor zu seinem Haus. Samuel Morse konsultierte J. Henry im Jahre 1837 wegen seines Schreibtelegrafen. Morse verbesserte danach das EMR so, dass es auch auf schwächere Impulse reagierte und setzte es als Signalverstärker ein. Die Idee eines Telegraphen existierte zwar schon länger, 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 wieder zu regenerieren. Damit war die Grundlage geschaffen, Impulse über weite Strecken zu übertragen. Die erste Demonstration des Telegraphen fand 1844 zwischen Washington (D.C.) und Baltimore statt. In Anlehnung an die Relaisstationen der Post, wo die Postreiter ihre Pferde gegen frische tauschen konnten, taufte man das neue Gerät Relais.

Fernsprechvermittlung

Einen wesentlichen 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.

Relais beim Beginn der Computerentwicklung

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 40er Jahre weitgehend durch Elektronenröhren ersetzt. Später wurde die Funktion von Transistoren und Integrierte Schaltkreise (IC) übernommen.

Siehe auch

Weblinks / Referenzen

 Commons: Relais – Bilder, Videos und Audiodateien
  1. http://www.relko.cz/katalogy/eaw/MelderelaisRA70.pdf