Relais

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

Ein Relais (elektrisch) [ʁəˈlɛː] (Pl.: Relais [ʁəˈlɛːs]) 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.

Verschiedene Relais

Funktionsprinzip[Bearbeiten]

Funktionsprinzip eines Relais

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.

Schematischer Aufbau[Bearbeiten]

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 Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird.

Relais in Ruhestellung Relais in Arbeitsstellung

Begriffe[Bearbeiten]

thumb Schaltsymbol eines Relais mit Wechselkontakt

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.

Verwendung[Bearbeiten]

Relais sind elektromechanische Bauelemente. Sie werden hauptsächlich für die folgenden Anwendungsfälle eingesetzt:

  • zum gleichzeitigen und potentialgetrennten Schalten mehrerer Laststromkreise mit nur einem Steuerstromkreis
  • zum Schalten von hohen elektrischen Leistungen mit niedriger Leistung (Schaltverstärker)
  • um eine galvanische Trennung zwischen steuerndem und zu schaltendem Stromkreis zu erreichen
  • um geringe Schaltübergangswiderstände im geschlossenen Zustand des Kontaktes bei gleichzeitig sehr großem Kontaktübergangswiderstand im geöffneten Zustand zu erreichen

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

Elektromechanische Relais sind in vielen Anwendungsfällen von elektronischen Schaltern abgelöst worden, die mit Transistoren arbeiten. Relais besitzen gegenüber Transistoren einige Nach-, aber auch Vorteile, unter anderen:

Nachteile:

  • Abhängigkeit des Isolationsvermögens vom Luftdruck beziehungsweise von der Höhe über dem Meeresspiegel (außer bei hermetisch dichtem Relaisgehäuse)
  • Erschütterungs- und Stoßempfindlichkeit
  • Geräuschentwicklung beim Schalten
  • hohe Ansprech- und Abfallzeit (Millisekunden gegenüber Mikro- und Nanosekunden bei Halbleitern, das heißt drei bis sechs Zehnerpotenzen)
  • je nach Kontaktwerkstoff kann sich der Kontaktübergangswiderstand mit der Lebensdauer abhängig von der geschalteten Last ändern
  • prinzipieller Verschleiß (elektrisch und mechanisch), das heißt, es muss immer die maximal erreichbare Schaltanzahl der Lebensdauer der Baugruppe gegenübergestellt werden


Vorteile:

  • geringer Kontaktübergangswiderstand im Milliohmbereich bei gleichzeitig geringer Kapazität der Schaltstrecke
  • hohe Einschaltleistung bzw. hohe Überlastbarkeit
  • hoher Isolationswiderstand und hohe Sperrspannung der Schaltstrecke
  • Relais benötigen keine Kühlung
  • Relais können geringste Signale bis hohe Hochfrequenz-Leistungen schalten und zeigen dabei wenig Neigung zum Übersprechen
  • Relais können je nach Kontaktwerkstoff und Kurzschlussstrom auch Kurzschlüsse schalten, ohne ihre Funktion zu verlieren
  • Schaltzustand ist oft mit bloßem Auge erkennbar
  • Störfestigkeit durch ausgeprägtes Hystereseverhalten und Robustheit der Spule, sie nimmt Überspannung einige Male unbeschadet hin (EMV und ESD)

Relaistypen[Bearbeiten]

Relais, Staubschutzkappe entfernt

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:

Kleinrelais[Bearbeiten]

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.

Schütze[Bearbeiten]

Hauptartikel Schütz (Schalter)

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.

Halbleiterrelais [Bearbeiten]

Triac-Halbleiterrelais zum Schalten von Wechselspannungen
Solid State Relay

Halbleiterrelais (engl. solid state relay, SSR, daher eingedeutscht auch Solid-State-Relais genannt) sind keine eigentlichen Relais. Vielmehr handelt es sich um elektronische Bauelemente, die – auf Grundlage ganz anderer physikalischer Prozesse – den Effekt von echten Relais simulieren. Halbleiterrelais werden mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Sie arbeiten ohne bewegte Teile, sind daher sehr langlebig und für hohe Schalthäufigkeit und ungünstige Umweltbedingungen (wie Umgebungen mit explosiven Gasgemischen) geeignet.

Mit Halbleiterrelais besteht 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 einen Kühlkörper montiert werden. 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. Sie weisen keine Hysterese auf.

Eine Sonderstellung nehmen so genannte OptoMOS- bzw. PhotoMOS-Relais ein, da sie im Aufbau Optokopplern ähneln: Sie arbeiten steuerungsseitig wie ein Optokoppler mit einer IR-LED und besitzen lastseitig im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Halbleiterrelais keine Triacs oder Thyristoren, sondern MOSFETs, mit denen sie Gleich- und Wechselspannungen bei typischerweise eher geringem Strom schalten können. Sie müssen nicht gekühlt werden und besitzen bei geringem Laststrom einen geringeren Spannungsabfall als Halbleiterrelais, zeigen typischerweise jedoch einen höheren „Kontaktwiderstand“ als mechanische Signalrelais. Sie arbeiten prell- und verschleißfrei sowie mit hohen Schaltgeschwindigkeiten (einige Mikrosekunden), die bei Spezialausführungen Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz erreichen können.

Bistabile Relais [Bearbeiten]

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

Stromstoßrelais (Stromstoßschalter)
Stromstoßrelais (in der Elektroinstallationstechnik auch als Stromstoßschalter bezeichnet) schalten bei einem Stromimpuls in den jeweils anderen Schaltzustand um und behalten diesen bis zum nächsten Impuls bei. Das Beibehalten des Zustandes wird durch eine mechanische Verriegelung gewährleistet.
Haftrelais
Haftrelais, auch als Remanenzrelais bezeichnet, nutzen die Remanenz, um nach Abschalten des Erregerstromes weiterhin im angezogenen Zustand zu verbleiben. Zum Umschalten in den anderen Schaltzustand ist entweder an einer zweiten Wicklung mit umgekehrtem Wicklungssinn eine Spannung gleicher Polarität anzulegen (Doppelspulenrelais), oder bei Haftrelais mit nur einer Wicklung eine Spannung an diese mit entgegengesetzter Polarität.
Stützrelais
Stützrelais werden mechanisch in der angesteuerten Position verriegelt. Zum Umschalten in den anderen Schaltzustand ist entweder an einer zweiten Wicklung mit umgekehrtem Wicklungssinn eine Spannung gleicher Polarität anzulegen (Doppelspulenrelais), oder bei Relais mit nur einer Wicklung eine Spannung an diese mit entgegengesetzter Polarität. Stützrelais werden häufig zur Speicherung von Zuständen auch bei Stromausfällen sowie zum Stromsparen bei lange unveränderten Schaltvorgängen eingesetzt.
Doppelspulenrelais bei der Modelleisenbahn
Bei der Modelleisenbahn werden auch Doppelspulrelais eingesetzt. Diese nützen üblicherweise keine Remanenz und sie werden auch nicht mechanisch verriegelt. Diese Doppelspulenrelais haben oft eine Endabschaltung. Die Endabschaltung verhindert eine Überhitzung von unterdimensionierten Spulen, die sonst bei Dauerbelastung durchbrennen würden. Solche Doppelspulenrelais werden unter anderem zur Steuerung von Signalen verwendet.

Gepolte Relais[Bearbeiten]

Es gibt zwei Arten von Relais, bei denen die Polarität vorgeschrieben ist:

  • bei gepolten Relais ist die Polarität der anzulegenden Erregerspannung festgelegt. Polarisierte Relais haben einen integrierten Dauermagneten, dessen Feld das der Erregerspule additiv überlagert. Dadurch ist die Anzugsspannung reduziert, bzw. die Anzugsempfindlichkeit ist erhöht.
  • bei Relais mit integrierter Freilaufdiode kann die Spannung nur in Sperrrichtung der Diode angelegt werden. Diese Variante findet man hauptsächlich bei Relais im DIL-Gehäuse.

Relais in Kraftfahrzeugen[Bearbeiten]

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.

Sonderfunktionen[Bearbeiten]

Links: Regensensor-Relais, Rechts: geöffnetes EGR-Relais

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:

  • Benzinpumpenrelais (Zeit- und drehzahlabhängige Steuerung der Benzinpumpe)
  • Blinkrelais (Taktgeber für den Blinker)
  • EGR-Relais (Steuerung der luftdruck- und drehzahlabhängigen Abgasrückführung)
  • Glühzeitrelais für die Glühkerze von Dieselmotoren (Zeitsteuerung und Strompfadkontrolle)
  • Intervallrelais für den Scheibenwischer (Elektrischer Taktgeber, teilweise mit einstellbarer oder regengesteuerter Intervallzeit)
  • Steuerung für anklappbare Außenspiegel und Bordsteinkanten-Funktion

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.

Fernmelderelais [Bearbeiten]

Flachrelais und Rundrelais in einer Telefonanlage von 1975

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 und das ESK-Relais.

Wechselstromrelais[Bearbeiten]

Spaltpolrelais für 42V/50Hz Betätigungsspannung (Pfeil: Kurzschlusswindung), Hersteller EAW

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:

  • Gleichstromrelais mit vorgeschaltetem Gleichrichter (der gelegentlich in das Relaisgehäuse eingebaut ist).
  • Phasenrelais ist ein Relais mit zwei Wicklungen auf getrennten Eisenschenkeln, wobei der Stromfluss in einer der Wicklungen mittels eines in Serie geschalteten Kondensators um etwa 90 Grad phasenverschoben ist. Dadurch ist eine Spule immer dann voll erregt, wenn der Erregerstrom in der anderen durch Null geht.
  • Spaltpolrelais mit einem Spaltpol haben eine Kurzschlusswindung. Der in der Kurzschlussschleife induzierte Strom, der gegenüber dem Steuerstrom phasenverschoben ist, hält die Haltekraft aufrecht, während der Steuerstrom seinen Nulldurchgang hat.

Drehspulrelais [Bearbeiten]

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.

Weitere Relaistypen[Bearbeiten]

  • Bimetallrelais arbeiten nicht elektromagnetisch sondern benutzen die thermische Wirkung des Stromflusses. Sie werden zum zeitverzögerten Schalten verwendet. Ein mit einem Heizleiter umwickelter Bimetallstreifen wird langsam erhitzt und schaltet dann einen Kontakt.
  • Differenzrelais haben zwei Wicklungen mit denselben elektromagnetischen Eigenschaften und sprechen bei kleinen Stromdifferenzen zwischen den Wicklungen an. Nach dem Prinzip der Stromdifferenzauswertung arbeiten beispielsweise Fehlerstromschutzschalter.
  • Koax-Relais werden zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet und haben eine definierte Leitungsimpedanz (z. B. 50 Ohm) zwischen Kontaktweg und Abschirmung.
  • Melderelais besitzen außer den Schaltkontakten eine Schauklappe, die beim Fallklappenrelais nach dem Auslösen ihre Stellung bis zu einer Quittierung beibehält. Die mechanisch-optische Meldefunktion besitzt auch elektrische Kontakte. Melderelais mit Stromspule können auf diese Weise einmalig Stromüberschreitungs-Ereignisse speichern und bis zur Quittierung anzeigen [1].
  • Polwenderelais haben zwei Spulen und zwei Umschaltkontakte, die intern zu einer H-Brücke zum Umkehren der Drehrichtung von Gleichstrommotoren verschaltet sind. Ferner werden diese Relais zur Ansteuerung von Nebenuhrenlinien in Uhrenanlagen verwendet.
Quecksilberschalter (Pfeil) in einem Stromstoßrelais
Tauchankerrelais in der erforderlichen vertikalen Betriebslage
  • Quecksilberrelais verwenden zum Schalten des Kontaktes das bei Raumtemperatur flüssige Metall Quecksilber, das sich unter Schutzgas in einer Glasröhre befindet. Bei frühen Treppenlichtautomaten wird eine solche Glasröhre (Quecksilberschalter) elektromagnetisch gekippt. Tauchankerrelais (auch Tauchrelais) besitzen einen auf dem Quecksilber schwimmenden Magnetanker, der wie bei einem Zugmagnet mit einer stromdurchflossenen Spule in das Quecksilber hineingezogen wird und dadurch dessen Füllstand soweit erhöht, dass ein oberhalb angebrachter Kontakt vom Quecksilberspiegel erreicht wird. Es gibt auch eine Bauform, bei der ein magnetisch gehaltener Kontaktstift in das Quecksilber fällt, wenn das Magnetfeld abfällt.

Eine weitere Bauform sind thermische Quecksilberrelais, bei denen ein Heizelement auf ein Gasvolumen arbeitet, durch dessen thermische Ausdehnung eine Lageänderung des Quecksilbers erreicht wird, wodurch es Kontakte öffnet oder schließt. Sie reagieren naturgemäß recht langsam, was jedoch bei dem oft üblichen Einsatz in Temperaturreglern nicht von Nachteil war oder sogar zur Zeitverzögerung genutzt wurde. Thermische Quecksilberrelais wurden oft zusammen mit Kontaktthermometern eingesetzt. Quecksilberrelais können mittels einer ausgeklügelten Mechanik auch als Stromstoßrelais ausgeführt sein.

Siehe auch: Fallbügelregler.

Reedrelais im DIP-Gehäuse
  • Reed-Relais haben einen in Schutzgas eingeschlossenen Kontakt, der zugleich Magnetanker ist.
  • Ein Signalrelais in der Eisenbahnsicherungstechnik ist ein Relais, das besonderen konstruktiven Anforderungen genügen muss, damit es für sicherheitsrelevante Schaltungen verwendet werden darf.
  • Signalrelais in der Elektronik haben Gold- oder Palladiumkontakte und sind speziell und ausschließlich für kleine Ströme und Spannungen geeignet. Leistungsrelais haben dagegen z. B. Silber-Cadmium- oder Silber-Wolfram-Kontakte und sind zum Schalten von höheren Strömen geeignet.
  • Stromrelais besitzen eine besonders niederohmige Spule, damit sie mit einem elektrischen Verbraucher, dessen Stromfluss überwacht werden soll, in Reihe geschaltet werden können.
  • Telegrafenrelais sind hochempfindliche, polarisierte Relais, die in der Fernschreibvermittlung eine wichtige Rolle spielten.
  • Zählrelais zählen Ergebnisse. Dazu addieren oder subtrahieren sie Impulse und schalten als Kontakt, wenn der aktuelle Istwert größer oder gleich einem oberen Schwellwert – dem Sollwert – ist.

Relais im weiteren Sinne[Bearbeiten]

Schrittschaltrelais geöffnet

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.

Kennwerte[Bearbeiten]

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 12V-KFZ-Relais[2].

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 x Ein (SPST)
Schaltstrom Strom, der ein-/ausgeschaltet werden kann, abhängig von der Last und der Stromart 100[3]/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)

Kennzeichnung eines Relais[Bearbeiten]

Normierte Kennzeichnung der Anschlüsse[Bearbeiten]

  • A1, A2: Spule
  • 11, 12: Öffner
  • 13, 14: Schließer (Kontakt schließt bei Anlegen einer Spannung an die Spule)
  • 15, 16, 18: Wechsler (15 ist der gemeinsame Kontakt, die Zunge, hier muss immer Spannung anliegen)

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:

  • die Anordnung im Kontaktsatz mit römischen Ziffern
  • die zugehörigen Kontakte mit den entsprechenden Kleinbuchstaben
  • Spulen mit Großbuchstaben

Übliche Bezeichnung der Schaltkontakte[Bearbeiten]

In Datenblättern und Vergleichstabellen zu Relais findet man häufig englische Abkürzungen für die Anzahl der Schaltkontakte und -positionen:

  • Anzahl der Kontaktstellen:
    Der einfachste Schalter hat eine Kontaktstelle; einer der Leiter ist direkt mit dem beweglichen Schaltelement verbunden:
    SM – Single Make (Arbeitskontakt)
    SB – Single Break (Ruhekontakt)
    SM-SB – Wechselkontakt
    Es gibt aber auch Schalter mit zwei Kontaktstellen, wobei das bewegliche Schaltglied die Verbindung zwischen beiden Leitern entweder herstellt oder trennt (bei Schützen üblich):
    DM – Double Make (Arbeitskontakt)
    DB – Double Break (Ruhekontakt)
    DB-DM – Wechselkontakt
  • P Pole – Anzahl der Schaltkontakte (Single, Double, ...)
  • Reihenfolge der Abkürzungen:
    Eine Kontaktanordnung wird folgendermaßen gekennzeichnet:
    1. Polzahl (Poles)
    2. Schaltstellungen (Throws)
    3. Ruhezustand (Normal Position)
    Gelegentlich folgt noch eine Break-Make-Angabe (meist weggelassen)
  • Ruhe-, Arbeits- und Wechselkontakte:
    NC – Normally Closed = Ruhekontakt; auch: Break
    NO – Normally Open = Arbeitskontakt; auch: Make
    CO – Change Over = Wechselkontakt; auch: Break - Make (B-M)
  • T Throw – Anzahl der Schaltpositionen (Single, Double)

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[Bearbeiten]

Ansteuerschaltungen für Relais

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 Schaltzeit des Relais deutlich verlängert – was wiederum durch einen stärkeren Schaltlichtbogen die Lebensdauer der Schaltkontakte verringert.

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).

Historisches zum Relais[Bearbeiten]

Telegraphie[Bearbeiten]

Um das Jahr 1820 herum fokussierte sich die Forschung zur elektronischen Datenübertragung auf den Elektromagnetismus. Frühe Modelle wurden von André-Marie Ampère, Pierre-Simon Laplace und vielen anderen entworfen. Bekannt wurde z.B. Joseph Henry 1835, der die Nachrichtenübermittlung von seinem Labor zu seinem Haus selbst entwickelte, oder Charles Wheatstone, der 1837 zusammen mit William Fothergill Cooke die Eisenbahntelegraphie in England einführte. Samuel Morse verbesserte nach Korrespondenz mit J. Henry das Relais so, dass es auch auf schwächere Impulse reagierte und setzte es als Signalverstärker ein. 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 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[Bearbeiten]

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 am Beginn der Computerentwicklung[Bearbeiten]

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 Integrierten Schaltkreisen (IC) übernommen.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Werner M. Köhler: Relais Grundlagen, Bauformen und Schaltungstechnik. 2. Auflage. Franzis-Verlag, München 1978, ISBN 3-7723-1602-6.
  •  Harry Dittrich, Günther Krumm: Elektro-Werkkunde. Band 5: Berufspraxis für Fernmeldeinstallateure, Fernmeldeelektroniker, Fernmeldemechaniker und Fernmeldehandwerker mit Fachrechnen und Fachzeichnen. 5. Auflage. Winklers Verlag, Darmstadt 1973.
  •  Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Relais – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Relais – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. http://www.relko.cz/katalogy/eaw/MelderelaisRA70.pdf
  2. http://www.panasonic-electric-works.de/catalogues/downloads/relays/ds_61202_0000_en_cb.pdf Typ CB1a-12V
  3. http://www.panasonic-electric-works.de/catalogues/downloads/relays/ds_61202_0000_en_cb.pdf Einschaltstrom, nicht spezifiziert, jedoch getestet, siehe Seite 6