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.

Relais.JPG

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

Relais ruhe.png | Relais arbeit.png

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 Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird.

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 Kurzschlusses 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
Schrittschaltrelais zur Zahlen- oder Zeit-gesteuerten Schaltung in Telefonanlagen oder Ampelschaltungen

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.

Übliche Kennzeichnung der Anschlüsse eines Relais

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.

Siehe auch

Weblinks

Schalter

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