Ratgeber
Elektromagnetische Relais gehören zu den Klassikern in der Schaltungstechnik. Ohne sie wäre die Entwicklung von Telefonnetzen oder Computern wohl nicht möglich gewesen. Obwohl die Funktionen klassischer „Umsetzer“ mit ihren mechanischen Kontakten heute überwiegend von Halbleiterbausteine übernommen werden, haben vor allem Printrelais und Steckrelais nach wie vor ihre Daseinsberechtigung. Hier erfahren Sie, wie diese Schaltelemente funktionieren, welche Typen und Ausführungen es gibt und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
Ein Relais ist ein elektrisch betätigter Schalter, der durch Gleichspannung (DC) oder Wechselspannung (AC) gesteuert wird. In der traditionellen Form schließt oder öffnet ein Elektromagnet den Kontakt zu einem oder mehreren Arbeitsstromkreisen. Aktiviert wird der Elektromagnet durch einen Schaltstromkreis, der vom Arbeitsstromkreis galvanisch getrennt ist – es existiert also keine elektrische Verbindung zwischen den beiden Stromkreisen. Mit dieser sicheren Trennung ist es möglich, bereits mit geringen Strömen und Spannungen weitaus höhere und damit potenziell lebensgefährliche elektrische Leistungen bereitzustellen.
Relais wurden zuerst in Telegrafen-Fernschaltkreisen als Signalwiederholer verwendet: Sie frischten das von einem Schaltkreis eingehende Signal auf, indem sie es auf einen anderen Schaltkreis übertrugen. In großem Umfang wurden sie auch in frühen Computern wie dem Z3 von Konrad Zuse eingesetzt. Hier übernahmen die 600 Umsetzer des Rechenwerks logische Operationen auf der Basis von Additionen zweier natürlicher Zahlen.
Relais beherrschen grundsätzlich drei Schaltmöglichkeiten: Öffnen, Schließen und Wechseln. Beim Öffner ist der Arbeitsstromkreis solange durch die Kontaktfeder geschlossen, bis der Elektromagnet durch den Schaltstromkreis aktiviert wird und den Kontakt auseinanderzieht. Bei Abschalten des Steuerstroms kehrt die Kontaktfeder wieder in ihre ursprüngliche – geschlossene – Stellung zurück.
Genau umgekehrt arbeitet der Schließer: Der Arbeitsstromkreis ist standardmäßig geöffnet und wird über den Schaltstrom geschlossen. Wechsler wiederum schließen bei nicht aktivem Schaltstrom beispielsweise Arbeitsstromkreis A und halten Arbeitsstromkreis B offen. Zieht der Magnet den Federkontakt im Wechsler an, öffnet sich der der Arbeitsstromkreis A und Arbeitsstromkreis B wird geschlossen.
Die vorgenannte Funktionsbeschreibung gilt allerdings nur für so genannte monostabile Relais, also solche, die nach Abschalten des Schaltstroms die eingenommene Schaltposition sofort wieder verlassen. Soll die Position auch nach Abschalten des Schaltstroms erhalten bleiben, sind so genannte bistabile Relais zu verwenden.
Die Kontakte im Öffner, Schließer und Wechsler können auch mehrfach vorhanden sein. So gibt es zum Beispiel auch Wechsler mit vier und Schließer mit fünf Kontakten.
Wie die Bezeichnungen schon vermuten lassen – die Montage moderner Relais erfolgt überwiegend entweder durch Einlöten unmittelbar auf der gedruckten Platine oder Lochrasterplatte wie beim Printrelais oder durch Steckkontakte. Nachfolgend einige Details zu den wichtigsten Anschlussmöglichkeiten:
Printrelais
Die Durchsteck-Lötstifte des Printrelais entsprechen dem standardisierten Lochrasterabstand von 2,54 Millimeter. Printrelais lassen sich somit schnell und einfach sowohl im Prototypenbau mit „Breadboards“ als auch bei gedruckten Platinen verwenden.
Steckrelais
Ihre Anschlussstifte sind flach, eckig oder rund und ermöglichen einen schnellen und überwiegend werkzeuglosen Wechsel über spezifische Einsteckelemente. Diese Elemente können auch direkt auf einer Platine montiert sein.
SMD-Relais
SMD bedeutet „Surface Mounted Device“, als „oberflächenmontiertes Bauelement“. Diese modifizierten Printrelais besitzen keine Durchsteck-Kontakte sondern abgewinkelte Anschlussflächen. Damit sind sie – vornehmlich im industriellen Bereich durch Bestückungsmaschinen – direkt auf der Platinenoberfläche montierbar.
Sicherheitsrelais
Die Standzeit moderner Relais ist recht hoch und hängt in erster Linie von der Häufigkeit der Schaltvorgänge ab. Da die Schwachstellen jedes elektrischen Schalters die Kontaktflächen sind, verfügen Sicherheitsrelais über besonders widerstandsfähige Kontakte. Ein häufig eingesetztes Kontaktmaterial ist eine Legierung aus Silber und Nickel, abgekürzt AgNi.
UND-Gatterbausteine
Sie erinnern in ihrer Funktion an die Zuse-Computer aus den frühen 1940er Jahren. Mit diesen Relais lassen sich logische Schaltungen realisieren, und zwar mit der booleschen UND-Funktion: Erst wenn an einer bestimmten Anzahl von Eingängen gleichzeitig eine Spannung anliegt, wird im Arbeitsstromkreis ein Schaltvorgang ausgelöst
Die Auswahl eines geeigneten Relais für eine bestimmte Anwendung erfordert die Bewertung vieler verschiedener Faktoren. Hier die wichtigsten:
Was ist unter einem Koppelrelais zu verstehen?
Koppelrelais vereinigen in einem Gehäuse gleich mehrere, miteinander verbundene Relais. Sie ermöglichen unter anderem die "sichere Trennung" nach VDE 0160/EN 50178.
Warum lassen sich Gleichstrom-Relais nicht mit Wechselstrom betreiben?
Eine sinusförmige Wechselspannung von beispielsweise 12 Volt wechselt 50 Mal pro Sekunde die Polarität. Aus +12 Volt werden dabei -12 Volt Spitzenspannung. Das Relais würde zwar auch bei -12 Volt anziehen, jedoch erfolgt bei Wechselstrom zwangsläufig ein Nulldurchgang genau in der Mitte des Sinus. Ergebnis: Das Relais würde klappern und periodisch des Arbeitsstromkreis schließen und öffnen. Abhilfe bringt eine vorgeschaltete Gleichrichtung des Wechselstroms durch einen Brückengleichrichter mit möglichst wenig pulsierender Gleichspannung. In der Regel ist die Nachrüstung eines DC-Relais aber aufwändiger als die Beschaffung eines AC-Relais.
Warum besitzen viele Relais ein transparentes Gehäuse?
Ein transparentes Gehäuse ermöglicht den Blick auf die Schaltkontakte. So lässt sich schon durch eine rein optische Kontrolle feststellen, warum beispielsweise ein Wechsler nicht mehr funktioniert. Häufigste und durch das Gehäuse gut sichtbare Fehlerquellen sind abgebrannte oder festgebackene Kontaktflächen.