Ratgeber
Schaltvorgänge automatisiert über Relais auszulösen gilt seit Jahrzehnten als Goldstandard. Relais auf Halbleiterbasis verdrängen zwar vielfach traditionelle elektromechanische Modelle; dennoch gehören die „klappernden“ Ausführungen noch immer millionenfach zur Standardausstattung in Industriebetrieben. Zur einfachen und schnellen Installation von Relais gibt es so genannte Relaisplatinen: Komplett bestückte oder zur schnellen Montage vorbereitete Leiterplatten, bei denen nur noch das Relais fehlt. Hier erfahren Sie, wie diese aufgebaut sind und was bei der Auswahl zu beachten ist.
Ein Relais ist ein elektrisch betriebener Schalter. Er besteht aus einem Satz Eingangsklemmen für ein einzelnes oder für mehrere Steuersignale und einem Satz Betriebskontaktklemmen. Das Relais kann eine beliebige Anzahl von Kontakten mit unterschiedlichen Funktionen besitzen, und zwar Schließer, Öffner, Wechsler oder auch Kombinationen davon.
Relais werden üblicherweise dann eingesetzt, wenn Schaltkreise mit hoher Leistung durch ein unabhängiges, galvanisch getrenntes Signal mit geringer Leistung zu steuern sind. In der traditionellen Form des Relais übernehmen Elektromagnete das Schließen, Öffnen und Wechseln der Kontakte. Relais mit kalibrierter Betriebscharakteristik und manchmal mehreren Betriebsspulen können auch Stromkreise vor Überlast oder Fehlern schützen.
Selbsthaltende Relais benötigen nur einen einzigen Impuls der Steuerspannung, um den Schalter dauerhaft zu betätigen. Ein weiterer Impuls an einem zweiten Satz Steuerklemmen oder ein Impuls mit entgegengesetzter Polarität setzt den Schalter zurück. Wiederholte Impulse der gleichen Art haben dagegen keine Auswirkungen auf den Schaltvorgang.
Ein einfaches elektromagnetisches Relais besteht aus einer Drahtspule um einen Weicheisenkern – die Magnetspule –, einem Eisenjoch mit geringem magnetischen Widerstand, einem beweglichen Eisenanker und einem oder mehreren Sätzen von Kontakten. Der Anker ist am Joch angelenkt und mechanisch mit einem oder mehreren Sätzen von beweglichen Kontakten verbunden. Er wird von einer Feder gehalten, so dass im stromlosen Zustand ein Luftspalt im magnetischen Kreis vorhanden ist. In diesem Zustand ist beispielsweise einer der beiden Kontaktsätze geschlossen und der andere Satz ist geöffnet. Andere Relais können je nach ihrer Funktion über mehr oder weniger Kontaktsätze verfügen.
Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld, das den Anker aktiviert. Die daraus resultierende Bewegung des Ankers stellt entweder eine Verbindung mit einem festen Kontakt her oder unterbricht diese. Wenn der Kontaktsatz beim Abschalten des Relais geschlossen war, dann öffnet die Bewegung die Kontakte und unterbricht die Verbindung. Im umgekehrten Fall wird die Verbindung hergestellt. Beim Abschalten des Steuerstroms kehrt der Anker in seine entspannte Position zurück, angetrieben entweder von einer Feder oder durch Schwerkraft.
Die Kontaktmaterialien für Relais variieren je nach Anwendung. Materialien mit geringem Kontaktwiderstand oxidieren leicht an der Luft oder neigen zum "Kleben", anstatt sich beim Öffnen sauber zu trennen. Das Kontaktmaterial kann entsprechend für einen niedrigen elektrischen Widerstand, eine hohe Festigkeit für wiederholte Betätigungen oder eine hohe Kapazität für die Hitze des bei großen Lasten an der Feldseite entstehenden Lichtbogens optimiert sein.
Wenn ein sehr geringer Widerstand erforderlich ist oder niedrige thermisch induzierte Spannungen gewünscht sind, lassen sich vergoldete Kontakte verwenden, ebenso geeignet sind Beschichtungen aus Palladium und anderen nicht oxidierenden Halbedelmetallen. Für das Schalten von schwachen Signalen haben sich silberne oder versilberte Kontakte etabliert. Hochleistungsrelais zum Schalten hoher Ströme besitzen oft Kontakte aus einer Mischung aus Silber- und Kadmiumoxid.
Aus dem Vorgenannten wird deutlich, dass ein Relais im Prinzip lediglich Ein- und Ausgangsverbindungen benötigt. Wenn es sich um ein einzeln zu montierendes Bauteil handelt, dürfte die Installation keine großen Probleme aufwerfen – sofern entsprechende Montagestellen zur Verfügung stehen.
Deutlich schwieriger wird der Einbau aber bei der Ausstattung der Relaisschaltung mit diskreten elektronischen Bauelementen wie Widerständen, Transistoren, Dioden, Kondensatoren oder Signal-LEDs.
Diese zusätzlichen Komponenten sind vielfach für die Steuerung des Relais mit Wechselstrom notwendig oder – bei Gleichstrom – um die Energie des zusammenbrechenden Magnetfelds beim Abschalten abzuführen. LEDS zur Signalisierung des Schaltzustands erfordern zudem eine Begrenzung bei Spannung und Strom.
Relaisplatinen lösen dieses Problem. Sie bestehen aus einer Leiterplatte mit Montagebohrungen oder Halterungen zur Hutschienen-Montage und sind sowohl fertig bestückt als auch unbestückt erhältlich. Bei Letzteren fehlt lediglich noch das Relais, alle anderen Komponenten zur Spannungsanpassung sind ebenso vorhanden wie eine oder mehrere Signal-LEDs.
Spezifiziert sind sowohl bestückte als auch unbestückte Relaisplatinen nach Art der Schaltung, also Öffner, Schließer oder Wechsler, der Anzahl der Relais – bis zu 32 sind auf einer Platine möglich – und der Betriebsspannung für den Steuerkreis. Diese kann zwischen 5 und 250 Volt liegen, entweder nur als Gleichstrom, nur als Wechselstrom oder als Kombination beider Stromarten. Gewählt werden kann außerdem noch die Anschlussart für die Steuer- und die Feldseite. Gängige Formate sind Federklemmen, Push-in-Klemmen, Schrauben, Schraubklemmen und Zugfedern.
In vielen Produktnamen findet sich das Kürzel „RSM“, was hat das zu bedeuten?
RSM steht für Relais-Schalt-Modul. Es handelt es sich um eine komplettes Modul beziehungsweise um eine Relaisplatine, die bereits werksseitig mit einem oder mehreren Relais ausgestattet ist.
Für wie viele Schaltvorgänge sind normale Relais ausgelegt?
Die Lebensdauer der Relaiskontakte hängt ganz wesentlich von der zu schaltenden Last ab. Beim Schalten induktiver Lasten wie Elektromotoren können Lichtbogen im Relais entstehen, die das Kontaktmaterial arg strapazieren. Liegen keine hohen Spannungen oder Ströme an, halten qualitativ hochwertige Standardrelais bis zu 30 Millionen Schaltzyklen aus.
Was bedeutet Hutschienen-Montage?
Eine Hutschiene ist eine standardisierte Metallschiene, die häufig für die Montage von Leistungsschaltern und industriellen Steuergeräten wie Relaisplatinen beispielsweise in Schaltschränken verwendet wird. Hutschienen werden in der Regel aus kaltgewalztem Kohlenstoffstahlblech hergestellt. Obwohl sie aus Metall bestehen, sind sie nur für die mechanische Unterstützung gedacht. Der Name ist offensichtlich an ihrer Form angelehnt, die einem flachen Hut ähnelt.
Der Begriff leitet sich von den ursprünglichen Spezifikationen ab, die vom Deutschen Institut für Normung (DIN) veröffentlicht wurden und inzwischen als europäische (EN) und internationale (IEC) Normen übernommen wurden. Die Norm EN 60715 spezifiziert sowohl eine 7,5 Millimeter als auch eine 15 Millimeter tiefe Version der Hutschiene und eine Breite von 35 Millimeter.