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Ratgeber
Relais gehören zu den wichtigsten Schaltelementen in der Elektrotechnik und der Elektronik. Sie stecken in Kraftfahrzeugen ebenso wie in Treppenhäusern, Schaltschränken, Alarmanlagen und Produktionsmaschinen.
Erfahren Sie in unserem Ratgeber, wie Relais prinzipiell funktionieren und welche Typen und Bauformen am häufigsten im industriellen Bereich zu finden sind.
Ein Relais ist ein elektrisches Gerät, das einen Stromkreis in Abhängigkeit von Änderungen physikalischer Größen wie Spannung, Strom, Temperatur, Geschwindigkeit oder Zeit ein-, aus- oder umschaltet. Es hat die Vorteile einer schnellen Reaktion, eines stabilen Betriebs, einer langen Lebensdauer und einer geringen Größe.
Relais sind als Bauelement weit verbreitet in den Bereichen Stromschutz, Automatisierung, Bewegung, Fernsteuerung, Messung und Kommunikation. Sie finden sich zumeist in automatischen Steuerschaltungen, um mit einem kleinen Strom einen großen Strom zu schalten. Ein Vorteil vieler Relais ist die galvanische Trennung zwischen dem Steuerkreis und dem Lastkreis, das heißt, es gibt kein gemeinsames Potenzial. Ein wichtiger Aspekt in Schaltungen, bei denen es auf die Sicherheit für Menschen und Material ankommt.
Grundsätzlich wird zwischen elektromechanischen beziehungsweise elektromagnetischen Relais und Halbleiterrelais unterschieden. Die Funktion ist allerdings identisch: Wird der Steuerkreis erregt, reagiert der Lastkreis. Die Reaktion kann ein Schließen oder Öffnen der Lastkontakte bedeuten, aber auch das Wechseln zwischen zwei Kontakten. Ist der Schaltzustand des Lastkreises normalerweise offen (NO), wird von einem Schließer gesprochen, im umgekehrten Fall (NC) von einem Öffner.
Elektromechanische Relais bestehen im Allgemeinen aus einem Eisenkern, einer Spule, einem Anker aus magnetisch gut leitfähigem Material und den Kontakten am Steuer- und Lastkreis. Wird eine bestimmte Spannung an die beiden Enden der Spule im Steuerkreis angelegt, entsteht ein magnetisches Feld. Der Anker wird angezogen, überwindet dabei die Zugkraft einer Rückstellfeder und schließt, öffnet oder wechselt einen oder mehrere Kontakte. Beim Abschalten der Stromversorgung verschwindet das magnetische Feld, der Anker kehrt daraufhin durch die Reaktionskraft der Rückstellfeder in seine ursprüngliche Position zurück.
Halbleiterrelais verwenden Halbleiterkomponenten wie Transistoren, Thyristoren, MOSFETs und TRIACs, um den Schaltvorgang durchzuführen. Der Leistungsgewinn dieser Relais ist viel höher als bei elektromechanischen Relais, da die benötigte Steuerenergie im Vergleich zur Lastenergie deutlich geringer sein kann. Halbleiter-Relais können sowohl für die Versorgung mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom ausgelegt sein. Da keine mechanischen Kontakte oder andere bewegliche Teile vorhanden sind, verfügen diese Relais über hohe Schaltgeschwindigkeiten und Standzeiten. Sie stehen in der Regel als Öffner und Schließer oder in einer Multipol-Version zur Verfügung.
Elektromagnetische Relais
Das elektromagnetische Relais ist das einfachste, älteste und am weitesten verbreitete Relais. Seine grundlegenden Bestandteile sind Spulen, Magnetkerne, Anker, Federn und Kontakte. Das magnetische System wird verwendet, um den Eingangsstrom in die für das Schließen des Kontakts erforderliche mechanische Kraft umzuwandeln. Während das Kontaktsystem den Lastkreis schließt, öffnet oder wechselt, sorgt die Isolierung für eine galvanische Trennung von Steuer- und Lastkreis. Sind höhere Ströme oder Betriebsspannungen zu schalten, werden Relais meist als Leistungsschalter oder Schütze bezeichnet.
Selbsthaltende Relais
Ein selbsthaltendes Relais ist ein Relais, das unter dem Einfluss eines einzelnen Stromimpulses in der Spule angezogen wird und diesen Zustand beibehält. Das Relais fungiert sozusagen als Speicherschaltung. Darüber hinaus trägt das selbsthaltende Relais dazu bei, den Stromverbrauch in der Anwendungsschaltung zu reduzieren, da die Spule nicht ständig erregt werden muss.
Thermische Relais
Es gibt zwei Grundtypen solcher Geräte: Relais, die Erregung in Form von Wärme zuführen, und Relais, die Erregung in Form von Strom nutzen. Die erste Art von Relais eignet sich für die direkte Temperaturkontrolle verschiedener Geräte. Der zweite Relaistyp wird als Schutzrelais verwendet, um eine Stromüberlastung zu verhindern. Im letzteren Fall wird der Strom zunächst im Inneren des Relais in Wärme umgewandelt. Erreicht die Temperatur des internen thermischen Elements einen bestimmten Wert, kommt es zu einem Ausgangssignal, das zum Beispiel zum Abschalten des Laststromkreises genutzt werden kann.
Reed-Relais
Das Reed-Relais unterscheidet sich sowohl von der Größe als auch hinsichtlich Aufbau und Funktion von anderen elektromagnetischen Relais. Es besteht aus zwei dünnen, flexiblen Metallblättern, die in einem Glasröhrchen oder einer hermetisch versiegelten Kammer platziert sind. Diese Metallblätter besitzen an ihren Enden Kontaktflächen, die sich bei Annäherung an ein externes Magnetfeld öffnen oder schließen. Entfernt sich das Magnetfeld, kehren die Metallblätter an ihre Ursprungsposition zurück. Reed-Relais sind recht zuverlässig und haben eine lange Lebensdauer. Sie eignen sich allerdings nur als Schalter für geringe Spannungen und Ströme.
Zeitschaltuhren
Die Grundfunktion einer Zeitschaltuhr oder eines Zeitrelais besteht darin, den Schaltzustand von elektrischen Kontakten nach Ablauf einer eingestellten Zeitdauer zu ändern. Je nach Art des Zeitrelais lassen sich verschiedene Verzögerungsarten realisieren. Verfügbar sind sie als elektromechanisches oder elektronisches Relais und als digitales Mikroprozessor-Zeitrelais.
Fotoelektrisches Relais
Dieses auch Optokoppler-Relais genannte Schaltelement nutzt für den Betrieb den fotoelektrischen Effekt: Eine LED und ein Fotodetektor sind in einem Gehäuse so angeordnet, dass sie elektrisch isoliert, aber optisch miteinander verbunden sind. Der Detektor erkennt das Leuchten der LED und wandelt das optische Signal in ein elektrisches um. Dieses wiederum wird für die Schaltfunktion verwendet, ähnlich wie bei herkömmlichen elektromechanischen Relais.
Eine Variante des Optokoppler-Relais ist das PhotoMOS-Relais. Es verbindet die Vorteile von Optokopplern und Halbleiterbauelementen, um elektrische Schaltvorgänge ohne mechanische Teile durchzuführen. Die Halbleiterelemente des PhotoMOS-Relais arbeiten als Schaltkontakte, fungieren also als Schließer, Öffner oder Wechsler, je nach Zustand des Lichtdetektors.
Dämmerungsschalter
Ein Dämmerungsschalter, auch als Lichtsensor, Helligkeitsschalter oder Fotowiderstandsschalter bezeichnet, steuert automatisch die Beleuchtung oder andere elektrische Geräte abhängig von der Umgebungshelligkeit. Er funktioniert auf der Grundlage der Lichtempfindlichkeit eines Fotowiderstands. Der Dämmerungsschalter ist in der Regel mit einer elektrischen Last wie einer Lampe verbunden. Sinkt die Helligkeit unterhalb der Schaltschwelle, ist der Widerstand des Fotowiderstands hoch, was zu einem geringen Stromfluss führt. Dies bewirkt, dass der Schalter in den aktivierten Zustand wechselt und die angeschlossene Last einschaltet. Wenn die Helligkeit oberhalb der Schaltschwelle liegt, verringert sich der Widerstand des Fotowiderstands, was zu einem höheren Stromfluss führt. Dadurch wird der Schalter in den deaktivierten Zustand versetzt, und die Last wird ausgeschaltet.
Bistabile Relais
Ein bistabiles Relais, auch bekannt als Doppelrelais oder Zweipunktrelais, steuert zwei stabile Zustände. Anders als ein monostabiles Relais mit nur einer Ruheposition, behält ein bistabiles Relais seine Position auch dann bei, wenn die Erregung des Steuerkreises entfernt wird. Ein bistabiles Relais verwendet in der Regel zwei Spulen oder Magnete, um zwischen den beiden Zuständen umzuschalten. Durch das Anlegen eines Stromimpulses an eine der Spulen wird das Relais in einen der beiden Zustände geschaltet. Das Relais behält diesen Zustand bei, bis ein entgegengesetzter Stromimpuls an die zweite Spule angelegt wird, um es in den anderen Zustand zu schalten.
Kfz-Relais
Kfz-Relais sind so konstruiert, dass sie den rauen Bedingungen im Fahrzeugbetrieb standhalten können, einschließlich Vibrationen, Temperaturschwankungen und anderen Umwelteinflüssen. Sie funktionieren im Wesentlichen auf dieselbe Weise wie andere elektromechanische Relais mit einer Spule, einem beweglichen Arbeitskontakt und einem festen Kontakt. Im Einsatz sind Kfz-Relais unter anderem für die Steuerung des Starters, der Beleuchtung, der Klimaanlage, der Hupe und des Anti-Blockier-Systems.
Signalrelais
Auch als Steuerrelais oder Kleinsignalrelais bezeichnet, schalten oder steuern kleine Laststromkreise, typischerweise im Bereich von Milliampere für den Strom und einigen Volt für die Spannung. Sie sind in der Regel empfindlich und reagieren auf niedrige Eingangssignale, beispielsweise in Schaltungen mit Mikrocontrollern, Sensoren oder anderen Elektronik-Bauteilen.