Relais
Ein Relais (Pl.: Relais) ist ein durch elektrischen Strom betriebener, meist elektromagnetisch wirkender Schalter. Das Relais wird über einen meist galvanisch getrennten Steuerstromkreis aktiviert und kann einen oder mehrere z.B. Laststromkreise schließen, öffnen oder umschalten. Zur Darstellung der Schaltvorgänge in Schaltungen mit mehreren Relais werden Relaisdiagramme verwendet.
Relais werden hauptsächlich verwendet um
- mit einem Steuerstromkreis mehrere Laststromkreise gleichzeitig zu beeinflussen
- mit niedriger Leistung in einem Steuerstromkreis galvanisch getrennt einen Stromkreis hoher Leistung zu steuern.
Funktionsweise
In einem Relais wird durch den Stromfluss in der Spule des Elektromagneten ein Eisenanker angezogen. Der Eisenanker schließt oder öffnet durch seine Bewegung einen oder mehrere Kontakte, wodurch der Laststromkreis geschlossen, geöffnet oder umgeschaltet wird.
Ein Relais kann als Ruhestromrelais oder als Arbeitsstromrelais ausgeführt sein.
Schematischer Aufbau
tööööröööh
Relaistypen
Schütze
Die Stromstärke und elektrische Spannung im Laststromkreis können um ein Vielfaches größer als in der Spule sein. Ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik wird Schütz genannt. Schütze besitzen 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 (solid-state-Relais)
In der Elektronik und Steuerungstechnik werden Relais auch als Halbleiterrelais mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Halbleiterrelais werden auch als Solid State Relais (SSR) bezeichnet. Sie arbeiten ohne bewegte Teile und sind daher auch für hohe Schaltfrequenzen und ungünstige Umweltbedingungen (wie Umgebungen mit explosiven Gasgemischen) geeignet.
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 eine Wärmesenke (Kühlkörper) montiert werden.
Fernmelderelais
In den elektromechanischen Vermittlungsstellen und Telefonanlagen wurden Relais (zum Beispiel Flachrelais 48) in großem Umfang eingesetzt. Sie dienten der logischen Ablaufsteuerung beim Auf- und Abbau der Wählverbindungen. Hierzu waren den Koppelelementen Relais fest zugeordnet.
Sensorrelais
Eine andere Art der Relais sind sensorische Relais, zum Beispiel
- Bimetallrelais zum zeitverzögerten Schalten - hier wird ein mit einem Heizleiter umwickelter Bimetallstreifen zum Schalten verwendet.
- sog. Distanzrelais - diese errechnen mechanisch/thermisch den Abstand eines Kuzschlusses im Stromnetz. In Mittelspannungs-Schaltanlagen steuern diese Relais die Abschaltung einzelner Abschnitte des Strom-Netzes
- Differenzrelais (2 Wicklungen) sprechen bei kleinen Strom- oder Spannungsdifferenzen zwischen den Wicklungen an. Nach dem Prinzip der Stromdifferenzauswertung arbeiten beispielsweise Fehlerstromschutzschalter
Weitere Ausführungen
Relais gibt es in vielen Ausführungen, unter anderem:
- monostabil (zurückfallend in den Ausgangszustand): es gibt sie ungepolt (Polarität der Erregerspannung beliebig) und gepolt (geringere Anzugspannung durch Dauermagnet - diese haben eine vorgeschriebene Polarität der Erregerspannung)
- bistabil, auch als Stromstoßschalter bezeichnet (ohne Strom des Steuerkreises in beiden Lagen verbleibend): diese Relais gibt es ungepolt (sie schalten bei jedem Stromstoß in den jeweilig anderen Zustand) und gepolt (diese schalten polaritätsabhängig in den anderen Zustand)
- Doppelspulenrelais sind bistabil, haben jedoch zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Spulen. Sie werden bei der Modelleisenbahn zur Steuerung von Signalen verwendet.
- Relais für mehrere Lastkreise
- negierend (Öffnerkontakt) oder wechselseitig schließend (1 Öffner + 1 Schließer oder 1 Umschalter)
- Signalrelais: diese haben Gold- oder Palladiumkontakte und sind speziell für kleine Ströme und Spannungen geeignet
- Leistungsrelais haben dagegen z.B. Silber-Cadmium- oder Silber-Wolfram-Kontakte und sind zum Schalten von Netzspannung geeignet
- Reed-Relais: diese haben einen in Schutzgas eingeschlossenen Kontakt, der zugleich Magnetanker ist
- Quecksilber-Relais: diese verwenden als einen oder beide Kontaktpartner Quecksilber und sind besonders langlebig und zuverlässig
- Koax-Relais werden zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet und haben eine definierte Leitungsimpedanz (z.B. 50 Ohm) entlang dem Kontaktweg
- manche Relais (z.B. DIL-Relais) haben eine integrierte Freilaufdiode und daher vorgeschriebene Polarität der Erregerspannung
- Wechselspannungs-Relais haben einen Spaltpol mit Kurzschlusswindung und können mit Wechselspannung gesteuert werden
- elektronische oder elektromechanische Zeitrelais
Geschichtliche Entwicklung
Das elektromagnetische Relais (EMR) wurde von Joseph Henry im Jahre 1835 erfunden, und diente schon damals zur Nachrichtenübermittlung vom Labor zu seinem Haus. Samuel Morse konsultierte J. Henry im Jahre 1837 wegen seines Schreibtelegrafen. Morse verbesserte danach das EMR so, dass es auch auf schwächere Impulse reagierte und setzte es als Signalverstärker ein. Die Idee eines Telegraphen existierte zwar schon länger, 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.
Relais beim Beginn der Computerentwicklung
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 dem 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 ICs übernommen.
Charakteristische Größen
- Abfallerregung: Stärke des magnetischen Feldes, bei der der Anker abfällt.
- Anzugsstrom: Stromstärke, bei der der Anker anzieht.
- Haltestrom: Stromstärke, bei der der Anker angezogen bleibt. Sie ist geringer als der Anzugsstrom. Dadurch kann ein Relais z.B. auch bei Fremdeinspeisung mit niedrigerer Spannung (ungewollt) angezogen bleiben.
- Abfallstrom: Stromstärke, bei der der Anker abfällt.
Kennzeichnung der Anschlüsse in Schaltbildern
- A1, A2: Spule
- 11, 14: Schließer (Kontakt schließt bei Anlegen einer Spannung an die Spule)
- 12, 13: Öffner
Die hintere Ziffer gibt in Schaltplänen die Art des Anschlusses am Relais bekannt. Der vordere Buchstabe beziehungsweise die Zahl wird bei einem Relais mit mehreren Kontakten oder Spulen alphanumerisch erhöht.