Relais

Ein Relais [rəˈlɛː] (Pl.: Relais [rəˈlɛːs]) ist ein durch elektrischen Strom betriebener, meist elektromagnetisch wirkender Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten.

Relais werden hauptsächlich verwendet um

mit einem Steuerstromkreis mehrere Laststromkreise gleichzeitig zu beeinflussen
mit niedriger Leistung in einem Steuerstromkreis einen Stromkreis hoher Leistung zu steuern
den steuernden vom zu schaltenden Stromkreis galvanisch zu trennen

Funktionsprinzip

Ein mechanisches Relais arbeitet meist nach dem Prinzip des Elektromagneten. Ein Stromfluss in der Erregerspule erzeugt einen magnetischer Fluss durch den ferromagnetischen Kern und einen daran befindlichen, beweglich gelagerten, ebenfalls ferromagnetischen Anker. An einem Luftspalt kommt es zur Krafteinwirkung auf den Anker, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte schaltet.

Begriffe

Man sagt, ein Relais arbeite als Ruhestromrelais, wenn es im „Normalfall“ angezogen ist, beispielsweise zur Überwachung von Netzausfall oder Drahtbruch, andernfalls wird es als Arbeitsstromrelais bezeichnet. Ein Kontakt wird als Schließer oder Arbeitskontakt bezeichnet, wenn er im Ruhezustand offen und im geschalteten Zustand geschlossen ist. Als Ruhekontakt oder Öffner wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er im geschalteten Zustand den Stromkreis unterbricht. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler oder Umschaltekontakt bezeichnet. Ein Relais kann einen oder mehrere solcher Kontakte haben.

Schematischer Aufbau

Als Beispiel ist hier ein Klappanker-Relais mit einem Schließer abgebildet. Das linke Bild zeigt das Relais in Ruhestellung; die Spule ist spannungslos, der Arbeitskontakt geöffnet. Auf dem rechten Bild liegt an der Spule eine Spannung an, wodurch der Anker vom laminierten Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird.

Relaistypen

Unter den Relais gibt es eine sehr große Anzahl verschiedener Ausführungen und Bauformen. Darüberhinaus können Relais nach verschiedenartigen Gesichtspunkten typisiert werden, beispielsweise nach Anzahl der in stromlosem Zustand möglichen Schaltzustände, Bauform, Baugröße, Einsatzgebiet, Art oder Material der Kontakte, Schaltleistung oder Funktionsprinzip. Ein Relais kann daher oft zu verschiedenen Typen gezählt werden.

Die wichtigsten Typen sind:

Kleinrelais

Zu den etwas unklar abgegrenzten Kleinrelais gehören eine Vielzahl meist im Niederspannungsbereich eingesetzten Relais, die oft zum Einbau auf Leiterplatten vorgesehen sind (Printrelais). Weitere Beispiele sind DIL-Relais, kammgeführte Relais, SMD-Miniaturrelais.

Schütze

→ Hauptartikel Schütz (Schalter)

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 einen Zuganker, für dessen Ansteuerung eine etwas höhere Leistung erforderlich ist, und sie haben 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)

Halbleiterrelais oder Solid-State-Relais, abgekürzt SSR, (engl. solid state relay) sind keine eigentlichen Relais, obwohl sie im Allgemeinen in diese Kategorie einsortiert werden. Vielmehr handelt es sich bei ihnen um elektronische Bauelemente. Halbleiterrelais werden mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Sie arbeiten ohne bewegte Teile, sind daher sehr langlebig und sind auch für hohe Schalthäufigkeit und ungünstige Umweltbedingungen (wie Umgebungen mit explosiven Gasgemischen) geeignet. Mit Halbleiterrelais besteht auch die Möglichkeit, Wechselspannung während des Nulldurchganges zu schalten, womit störende Impulse vermieden werden können.
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 in großem Umfang eingesetzt. Sie dienten der logischen Ablaufsteuerung beim Auf- und Abbau der Wählverbindungen. Hierzu waren den Teilnehmern in der Teilnehmerschaltung, sowie dem Koppelfeld, das meist aus Wählern bestand, Relais fest zugeordnet. Zu den wichtigsten Vertretern dieser Art von Relais, die heute nur noch sehr vereinzelt anzutreffen sind, zählen das Flachrelais 48, das Rundrelais und das ESK-Relais. Besonders das Flachrelais 48 gab es in sehr vielen Varianten, mit unterschiedlichsten Wicklungen und Kontaktsätzen, als Differenzialrelais, als Haftrelais, mit bifilaren (magnetisch unwirksamen, rein ohmsch wirkenden) Wicklungen oder mit einer direkt auf den Kern gewickelten und kurzgeschlossenen Verzögerungswicklung aus Blankdraht.

Bistabile Relais

Bistabile Relais sind gekennzeichnet durch ihre Eigenschaft, dass sie im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Schaltzustände einnehmen können. Dazu gehören

Stromstoßrelais → Hauptartikel Stromstoßrelais
Stromstoßrelais (in der Elektroinstallationstechnik auch als Stromstoßschalter bezeichnet) schalten bei einem Stromimpuls in den jeweils anderen Schaltzustand um und behalten diesen bis zum nächsten Impuls bei. Das Beibehalten des Zustandes wird durch mechanische Verriegelung gewährleistet.
Haftrelais oder Remanenzrelais → Hauptartikel Haftrelais
Haftrelais nutzen die Remanenz, um nach Abschalten des Erregerstromes weiterhin im angezogenen Zustand zu verbleiben. Zum Umschalten in den anderen Schaltzustand ist entweder an einer zweiten Wicklung mit umgekehrtem Wicklungssinn eine Spannung gleicher Polarität anzulegen (Doppelspulenrelais), oder bei Haftrelais mit nur einer Wicklung eine Spannung an diese mit entgegengesetzter Polarität.

Gepolte Relais

Bei gepolten Relais ist die Polarität der anzulegenden Erregerspannung festgelegt.

Polarisierte Relais
Polarisierte Relais haben einen integrierten Dauermagneten, dessen Feld das der Erregerspule additiv überlagert. Dadurch ist die Anzugsspannung reduziert.
Bei Relais mit integrierter Freilaufdiode kann die Spannung nur in Sperrrichtung der Diode angelegt werden. Diese Variante findet man hauptsächlich bei Relais im DIL-Gehäuse.

Wechselstromrelais

Elektromechanische Relais können nicht ohne weiteres mit Wechselstrom betrieben werden, da das Magnetfeld, das den Anker halten soll, sich dauernd umpolt. Der Anker zieht zwar in der Regel an, klappert aber und ein präzises Schalten der Kontakte ist nicht sichergestellt. Folgende Relais können mit Wechselstrom betrieben werden:

Spaltpolrelais haben eine Kurzschlußwindung. Der dort induzierte Strom hält den Magnetfluss auch dann noch aufrecht, wenn der Steuerstrom seinen Nulldurchgang hat.

Beim Phasenrelais handelt es sich um ein Relais mit zwei Wicklungen, in denen der Stromfluss mittels eines Kondensators um 90 Grad phasenverschoben ist. Damit ist eine Spule immer voll erregt, wenn der Erregerstrom in der anderen durch Null geht.

Gleichstromrelais mit vorgeschaltetem Gleichrichter (der gelegentlich in das Relaisgehäuse eingebaut ist).

Weitere Relaistypen

Signalrelais
Signalrelais haben Gold- oder Palladiumkontakte und sind speziell und ausschließlich für kleine Ströme und Spannungen geeignet.
Leistungsrelais
Leistungsrelais haben dagegen z.B. Silber-Cadmium- oder Silber-Wolfram-Kontakte und sind zum Schalten von höheren Strömen geeignet.
Reed-Relais → Hauptartikel Reed-Relais
Reed-Relais diese haben einen in Schutzgas eingeschlossenen Kontakt, der zugleich Magnetanker ist.
Koax-Relais → Hauptartikel Koaxiales Relais
Koax-Relais werden zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet und haben eine definierte Leitungsimpedanz (z.B. 50 Ohm) zwischen Kontaktweg und Abschirmung.
Stromrelais → Hauptartikel Stromrelais
Stromrelais besitzen eine besonders niederohmige Spule, damit sie mit einem elektrischen Verbraucher, dessen Stromfluss überwacht werden soll, in Reihe geschaltet werden können.
KFZ-Relais → siehe auch Blinkrelais, Abschnitt Relais im Auto
KFZ-Relais sind robust gebaute Relais, die den erhöhten Anforderungen in Kraftfahrzeugen besonders hinsichtlich Stoßfestigkeit und Temperaturbereich standhalten können. Sie arbeiten mit der Bordspannung von 12 oder 24 Volt und können höhere Ströme schalten. In der Regel besitzen sie Anschlüsse mit 6,3-mm-Flachsteckern.
Quecksilberrelais → siehe auch Quecksilberschalter
Quecksilberrelais verwenden zum Schalten des Kontaktes das bei Raumtemperatur flüssige Metall Quecksilber, das sich zusammen mit einem speziellen Gas in einer beweglich gelagerten Glasröhre befindet. Quecksilberrelais können mittels einer ausgeklügelten Mechanik auch als Stromstoßrelais ausgeführt sein.
Bimetallrelais → Hauptartikel Bimetallrelais
Bimetallrelais sind bei den mechanischen Relais die Ausnahme, die nicht nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeiten, sondern die thermische Wirkung des Stromflusses benutzen. Sie werden zum zeitverzögerten Schalten verwendet. Ein mit einem Heizleiter umwickelter Bimetallstreifen wird langsam erhitzt und schaltet dann einen Kontakt.
Differenzrelais
Differenzrelais haben zwei Wicklungen mit denselben elektromagnetischen Eigenschaften und sprechen bei kleinen Stromdifferenzen zwischen den Wicklungen an. Nach dem Prinzip der Stromdifferenzauswertung arbeiten beispielsweise Fehlerstromschutzschalter.
Polwenderelais bzw. Umpolrelais
Polwenderelais haben zwei Spulen und zwei Umschaltkontakte, die intern zu einer H-Brücke zum Umkehren der Drehrichtung von Gleichstrommotoren verschaltet sind. Ferner werden diese Relais zur Ansteuerung von Nebenuhrenlinien in Uhrenanlagen verwendet.
Telegrafenrelais → Hauptartikel Telegrafenrelais
Telegrafenrelais sind hochempfindliche polarisierte Relais, die in der Fernschreibvermittlung eine wichtige Rolle spielten.

Relais im weiteren Sinne

Diese Relais sind mit einer mehr oder weniger aufwändigen Mechanik oder Elektronik versehen.

Schrittschalterelais
Schrittschalterelais wurden zur Steuerung in historischen Telefonanlagen, Ampelschaltungen oder auch Waschautomaten benutzt.
Zeitrelais → Hauptartikel Zeitrelais
Zeitrelais gibt es in elektronischer oder elektromechanischer Ausführung und werden zur zeitlichen Ablaufsteuerung in Maschinen und Geräten eingesetzt.
Impulsrelais
Impulsrelais schalten nach Erhalt eines Aktivierungsimpulses ihren Kontakt für eine definierte Zeitspanne. Sie arbeiten also analog einer monostabilen Kippstufe. Das typische Beispiel ist der Treppenhausschalter.
Wischerrelais
Ein Wischerrelais (s. a. Wischerkontakt) ist ein Impuls- oder ein bistabiles Relais, das speziell auch auf sehr kurze („gewischte“) Impulse anspricht.
Überwachungsrelais
Überwachungsrelais melden mithilfe eines Sensors die Über- oder Unterschreitung bestimmter voreingestellter Werte. So können beispielsweise Temperaturen, Flüssigkeitsstände, Spannungen, Asymmetrien in Drehstromnetzen oder beliebige andere physikalisch messbare Größen überwacht werden.
Schutzrelais in Stromnetzen → siehe Distanzschutzrelais, Erdschlussrelais, Netzschutz
Schutzrelais in Energieübertragungsnetzen dienen im Fehlerfall wie Kurz- oder Erdschluss zur Abschaltung der entsprechenden Netzabschnitte mittels Leistungsschalter.

Kennwerte des Relais

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Kennwerte, über die ein Relais spezifiziert wird, aufgelistet. Darüber hinaus ist natürlich noch eine Maßzeichnung, Anschlussbelegung usw. interessant. Die Beispiele betreffen ein gängiges 12V-Relais aus dem Automobilbereich.

Kennwert	Erläuterung	Beispiel
Spule
Nennspannung	Betriebsspannung der Relaisspule	12 V DC
Abfallerregung	Stärke des magnetischen Feldes, bei der der Anker abfällt
Anzugsstrom oder -spannung	Stromstärke/Spannung, bei der der Anker anzieht
Haltestrom oder -spannung	Stromstärke/Spannung, bei der der Anker angezogen bleibt. Sie ist geringer als der Anzugsstrom bzw. die Anzaugspannung. Dadurch kann ein Relais z.B. auch bei Fremdeinspeisung mit niedrigerer Spannung (ungewollt) angezogen bleiben.
Abfallstrom oder -spannung	Stromstärke/Spannung, bei der der Anker abfällt.
Kontakte
Kontaktausführung	Anzahl und Art der Schaltkontakte,	2x Wechsler (DPDT)
Schaltstrom	Wird meist unterschieden in den Strom, der Ein- und Ausgeschaltet werden kann.	16 A
Dauerstrom	Strom, der im eingeschalteten Zustand maximal fließen darf, liegt meist über dem Schaltstrom	20 A
Schaltspannung	Spannung, die maximal geschaltet werden kann	20 V
Umgebungstemperatur	Temperaturbereich, in dem das Relais betrieben werden darf	-40 .. +85 °C
Prüfspannung	Spannung, die zwischen dem Spulenstromkreis (Wicklung) und dem Kontaktstromkreis maximal anliegen darf	500 V DC
Elektrische Lebensdauer	Anzahl der Schaltvorgänge, die die Kontakte bei einer spezifizierten Belastung unter Einhaltung der elektrischen Parameter überstehen	250.000 bei 20 °C / 35 V DC / 16 A
Mechanische Lebensdauer	Anzahl der Schaltvorgänge, die die Mechanik bei einer spezifizierten Belastung übersteht	600.000 bei 20 °C
Zulässiger Spannungsabfall	Maximaler Spannungsabfall über die Schaltkontakte bei einem spezifizierten Strom,	20 mV
Kontaktwerkstoff	Material der Kontakte, meist Legierungen	Ag/Ni
Gesamtsystem
Ansprechzeit	Zeit zwischen Erreichen des Anzugstromes und Schließen der Kontakte	4 ms
Rückfallzeit	Zeit zwischen Unterschreiten des Haltestromes und Öffnen der Kontakte	5 ms
Schaltfrequenz	maximale Betätigungsfrequenz des Relais	10 Hz
Vibrations- und Stoßfestigkeit	Beschleunigung und Frequenz (die bei Bewegen und Rütteln des Relais auftreten), bei denen die Kontakte zuverlässig in der jeweiligen Position bleiben

Kennzeichnung eines Relais

Übliche Kennzeichnung der Anschlüsse

A1, A2: Spule
13, 14: Schließer (Kontakt schließt bei Anlegen einer Spannung an die Spule)
11, 12: Öffner

Haben Relais mehrere Betätigungs-Spulen, so werden die weiteren Spulen mit A3/A4 usw. bezeichnet. Die vordere Zahl der Kontaktbezeichnung wird bei einem Relais mit mehreren Kontakten numerisch erhöht.Die hintere Ziffer gibt die Art des Relais-Kontaktes an. So bezeichnet z.B. 53/54 den 5. Kontakt, der ein Schließer ist.

Im (deutschen) Fernmeldewesen ist folgende Regelung üblich (DIN 41220): Man bezeichnet:

Spulen mit Großbuchstaben
die zugehörigen Kontakte mit den entsprechenden Kleinbuchstaben
die Anordnung im Kontaktsatz mit römischen Ziffern

Übliche Bezeichnung der Schaltkontakte

In Datenblättern und Vergleichstabellen zu Relais findet man häufig englische Abkürzungen für die Anzahl der Schaltkontakte und -positionen:

P Pole – Anzahl der Schaltkontakte (Single, Double, ...)
T Throw – Anzahl der Schaltpositionen (Single, Double)
Ruhe-, Arbeits- und Wechselkontakte:
NC – Normally Closed = Ruhekontakt; auch: Break
NO – Normally Open = Arbeitskontakt; auch: Make
CO – Change Over = Wechselkontakt; auch: Break - Make (B-M)
Anzahl der Kontaktstellen:
Der einfachste Schalter hat eine Kontaktstelle; einer der Leiter ist direkt mit dem beweglichen Schaltelement verbunden:
SM – Single Make (Arbeitskontakt)
SB – Single Break (Ruhekontakt)
SM-SB – Wechselkontakt
Es gibt aber auch Schalter mit zwei Kontaktstellen, wobei das bewegliche Schaltglied die Verbindung zwischen beiden Leitern entweder herstellt oder trennt (bei Schützen üblich):
DM – Double Make (Arbeitskontakt)
DB – Double Break (Ruhekontakt)
DB-DM – Wechselkontakt
Reihenfolge der Abkürzungen:
Eine Kontaktanordnung wird folgendermaßen gekennzeichnet:
1. Polzahl (Poles)
2. Schaltstellungen (Throws)
3. Ruhezustand (Normal Position)
Gelegentlich folgt noch eine Break-Make-Angabe (meist weggelassen)

Einige Beispiele:

SPST NO = Single Pole, Single Throw, Normally Open – Einpoliger Schalter mit Arbeitskontakt

SPDT – Einpoliger Umschalter (auch: SP CO)

DPST NO – Zweipoliger Einschalter

DPDT – Zweipoliger Umschalter (auch: DP CO)

Schalten von Relais mit Transistoren

Bei der Ansteuerung der Relaisspule mit einem Transistor ist zu beachten, dass durch Selbstinduktion beim Abschalten des Stromes durch die Spule des Relais eine hohe Spannung mit entgegengesetzter Polarität entsteht. Diese Spannung überschreitet die Nennspannung des Relais deutlich und kann durch Überschreiten der maximalen Sperrspannung des Transistors den Transistor zerstören.

Um die Zerstörung des Schalttransistors (T1 in der Abbildung) zu verhindern, schließt man über das Einbringen einer Diode (D1 in der Abbildung) diese Gegenspannung kurz bzw. begrenzt sie auf die Vorwärtsspannung der Diode. Allerdings führt das dazu, dass das Magnetfeld in der Spule langsamer zusammenbricht und sich die Schaltzeit des Relais deutlich verlängert - was wiederum durch einen stärkeren Schaltlichtbogen zu einer Verringerung der Lebensdauer der Schaltkontakte führt.

Die Nachteile hinsichtlich der Schaltzeit der Variante A löst man durch hinzufügen einer Zenerdiode (ZD 1 in der Abbildung, Variante B), deren Zenerspannung als Richtwert ungefähr des Nennspannung des Relais entsprechen sollte - das Magnetfeld in der Spule kann nahezu ungehindert zusammenbrechen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Sperrspannung des Schalttransistors immer noch größer als Betriebsspannung + Zenerspannung sein muss, um seine Zerstörung zu verhindern.

Über die beiden hier vorgestellten Varianten hinaus gibt noch weitere Variationen dieser Art der Schutzschaltung mit auf die Induktivität der Spule abgestimmten RC-Gliedern etc., die aber nicht so stabil arbeiten bzw. so einfach auszulegen sind.

Relais im Auto

Typische Auto-Relais, geöffnet: ein EGR-Relais

Die Relais, die im Auto in Form steckbarer Baugruppen im Sicherungskasten verbaut sind, sind genau genommen keine Relais, sondern meist elektronische Baugruppen bzw. kleine Steuergeräte. Beispiele:

Intervallrelais für den Scheibenwischer (Elektrischer Taktgeber, teilweise mit einstellbarer Intervallzeit)
Blinkrelais (Taktgeber für den Blinker)
Glühzeitrelais für Dieselmotoren (Zeitsteuerung und Strompfadkontrolle)
EGR-Relais (Steuerung der luftdruck- und drehzahlabhängigen Abgasrückführung)
Benzinpumpenrelais (Zeit- und Drehzahlabhängige Steuerung der Benzinpumpe)

In den vielen dieser kleinen Steuergeräte ist zwar tatsächlich auch noch ein Relais enthalten, der Begriff Relais ist aber eher historisch bedingt. In modernen Autos werden die meisten Funktionen mittlerweile in größeren zentralisierten Steuergeräten integriert - so wird z.B. das typische "Blinkergeräusch" meist entweder per Lautsprecher oder sogar mit einem Relais, das keine Last schaltet, erzeugt.

Historisches zum Relais

Telegraphie

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.

Fernsprechvermittlung

Einen wesentlichen Impuls zur weiteren Verbreitung des Relais war die Einführung der Teilnehmerselbstwahl in der Fernsprechvermittlungstechnik Ende des 19. Jahrhunderts. Die erste Selbstwähleinrichtung in Deutschland wurde am 10. Juli 1908 in Hildesheim für den Ortsverkehr mit 900 Teilnehmern in Betrieb genommen. Der nationale Fernsprechverkehr wurde ab 1923 nach und nach automatisiert und wäre ohne den massiven Einsatz der Relaistechnik nicht denkbar gewesen.

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 den 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.

Siehe auch

Literatur

Harry Dittrich, Günther Krumm: Elektro-Werkkunde, Band 5: Berufspraxis für Fernmeldeinstallateure, Fernmeldeelektroniker, Fernmeldemechaniker und Fernmeldehandwerker mit Fachrechnen und Fachzeichnen. 5., durchgesehene Auflage, Winklers Verlag, Darmstadt 1973

Weblinks