Ratgeber
In den unterschiedlichsten Bereichen der Elektrotechnik übernehmen Relais das Schalten großer Lasten. Obwohl dafür zunehmend Halbleiter ohne bewegliche Teile zum Einsatz kommen, sind elektro-mechanische Relais nach wie vor gefragt. Auch sie sorgen für das Schließen, Öffnen oder Wechseln der Lastkontakte über einen kleinen Steuerstrom. Nachteil: Wird der Steuerstrom abgeschaltet, kehrt das Relais in seine Normalposition zurück. In den meisten Fällen ist dies auch gewünscht. Es sei denn, die einmal hergestellte Position soll erhalten bleiben – und zwar ohne Steuerstrom. Genau das ermöglichen bistabile Relais, die wir Ihnen in unserem Ratgeber genauer vorstellen.
Elektro-mechanische Relais bestehen im Allgemeinen aus einem Eisenkern, einer Spule, einem Anker sowie den Anschlüssen für Steuerstrom und Laststrom. Außerdem sind bewegliche Kontaktfedern vorhanden, die den Laststromkreis entweder schließen oder öffnen. Wird eine bestimmte Spannung an die beiden Enden der Spule angelegt, entsteht ein elektromagnetisches Feld, das den federnd gelagerten Anker an den Eisenkern zieht. Dabei drückt der Anker die Kontaktfedern zusammen oder zieht sie auseinander.
Zu den wichtigsten Eigenschaften eines Relais gehört die galvanische Trennung von Steuer- und Laststromkreis. So lassen sich selbst mit kleinen Spannungen und Strömen Lasten mit sehr großen Spannungen und Strömen steuern, ohne dass sich deren Energieaufnahme auf die Ansteuerung auswirkt.
Da übliche Relaistypen Laststromkreise entweder schließen oder öffnen, wird ihr stromloser Normalzustand mit NO oder NC bezeichnet. NO steht für Normally Open, die Kontaktfedern des Laststromkreises befinden sich ohne Steuerstrom im offenen Zustand.
NC wiederum steht für Normally Closed, hier sind die Schaltkontakte geschlossen, solange sie nicht über einen Steuerstrom auseinander gedrückt werden. Bei einem Wechsler- oder CO – vom Englischen Change over – sind beide Funktionen vorhanden, sie besitzen deshalb zum Umschalten zwei Laststromkreise, von denen einer immer dem NO- oder NC-Zustand entspricht. Der Wechsel zum anderen Laststromkreis erfolgt über den Steuerstromkreis.
Da herkömmliche Relais ohne Versorgungsspannung der Steuerspule grundsätzlich nur einen Zustand einnehmen können, handelt es sich bei ihnen um monostabile Relais.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass bistabile Relais – üblich sind auch die Bezeichnung selbsthaltend oder Latch – eine bestimmte Position auf unbestimmte Zeit zwischen den Schaltimpulsen halten können, ohne dass eine kontinuierliche Stromzufuhr erforderlich ist.
Monostabile Relaistypen benötigen einen kontinuierlichen Strom- beziehungsweise Spannungseingang, während sie in einer bestimmten Position verbleiben sollen. Sobald der Strom wegfällt, kehren sie in ihren Normalzustand zurück. Dies kann in vielen Anwendungen eine wünschenswerte Eigenschaft sein.
Oft ist es allerdings sinnvoller, stattdessen ein bistabiles Relais zu verwenden, das sich von einer Position in die andere bewegt, wenn – und nur wenn – es kurzzeitig weitere Stromimpulse erhält. Ein bistabiles Relais besitzt also im stromlosen Zustand keine Normalposition.
Das kann besonders in Szenarien von Vorteil sein, in denen ein höheres Maß an Energieeffizienz und Ausfallsicherheit wichtig ist. Dies ist häufig dann der Fall, wenn sich der Umschalter längere Zeit in einem der beiden Zustände befinden soll und auch bei einem Stromausfall seine Schaltposition behält.
Es gibt viele alltägliche Anwendungen für bistabile Relais, in den unterschiedlichsten Umgebungen und Sektoren. Einige der am weitesten verbreiteten industriellen Anwendungen, die von der einzigartigen Funktion der selbsthaltenden Umschalter profitieren, sind beispielsweise Zähl- und Sortiersysteme, Stromversorgungen, die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, kommerzielle Kaffeemaschinen und andere automatische Geräte für die Lebensmittelzubereitung.
Die Mehrheit der im Handel angebotenen bistabilen Relais ist für die Print- beziehungsweise SMT-Montage direkt auf der Platine konfektioniert. Erhältlich sind aber auch Modelle mit Lötpins sowie Reels für Bestückungsautomaten. Übliche Gehäuse sind quaderförmig und bestehen aus gefärbtem Kunststoff, zur Verfügung stehen aber auch Typen mit transparentem Gehäuse und sichtbaren Wicklungen und Kontaktfedern.
Kontaktart
Wie bei herkömmlichen Relais existieren auch bei bistabilen Typen die drei Typen Öffner, Schließer und Wechsler. Einige Modelle sind mit zwei Wechslern ausgestattet.
Nennspannung der Relaisspule
Sie bezieht sich auf die Spannung, die von der Spule benötigt wird, wenn das Relais normal arbeitet. Je nach Modell des Relais kann es sich um Wechselspannung oder Gleichspannung handeln. Die meisten bistabilen Umschalter sind allerdings mit Steuerspannungen von 3 bis 24 Volt Gleichspannung zu betreiben.
Widerstand der Relaisspule
Dieser Wert bezieht sich auf den Gleichstromwiderstand der Spule im Relais, der sich mit einem Universalmessgerät messen lässt. Die Werte liegen im Allgemeinen zwischen wenigen Hundert Ohm und mehreren Kiloohm.
Schaltstrom
Bezieht sich auf den maximalen Strom, den das Relais beim Anziehen und damit beim Schalten der Last aufnehmen kann. Die Stromstärke der Schaltleistung kann zwischen 1 und 60 Ampere betragen, abhängig von der Ausführung.
Haltestrom
Den gibt es bei bistabilen Schaltern nicht, er wird nur bei monostabilen Relais benötigt, um den Schaltzustand so lange beizubehalten, bis die Spule von der elektrischen Versorgung getrennt wird.
Schaltspannung
Damit ist der maximale Spannungswert für den Laststromkreis gemeint. Übliche Werte liegen zwischen 24 und 220 Volt Gleichstrom. Im Wechselspannungsbereich sind 250 bis 400 Volt möglich.
Wie lässt sich die Funktion eines Relais testen?
Der einfachste Weg führt über ein einstellbares Netzgerät. Dort wird zuerst die für das Relais angegebene Nennspannung eingestellt und der Strom auf ein Minimum reduziert. Ist das Relais am Netzgerät angeschlossen, langsam den Strom erhöhen, bis der Anker anzieht und sich die Federkontakte öffnen beziehungsweise schließen. Entspricht die vom Relais aufgenommene Strommenge weitgehend dessen technischen Daten, ist das Relais funktionsfähig. Zu achten ist beim Test auch darauf, ob der Schaltzustand auch dann erhalten bleibt, wenn die Stromzufuhr abgeschaltet ist.
Gehört ein Reedschalter auch zu den Relais?
Im weitesten Sinn lässt sich auch ein Reedschalter als Relais bezeichnen, bei ihm gibt es aber nur den Laststromkreis, der üblicherweise nur sehr geringe Spannungen und Stromstärken schalten kann. Als Auslösemechanismus fungiert aber auch bei ihm ein Magnetfeld in der Nähe des Schalters, der die in einem Glasröhrchen sitzenden Kontakte miteinander verbindet.