Umfassender Ratgeber zu bistabilen Relais

Wie auch andere Relais oder SSR ist ein bistabiles Relais ein Typ eines elektromechanischen oder elektromagnetischen Schalters. Dieser kann Strom je nach Bedarf schalten, abschalten oder auch verstärken kann.

Das Besondere an einem bistabilen Relais: Die spezielle Bauweise erlaubt das Schalten mit einem viel kleineren Strommengen. Es ist außerdem „bistabil“, weil es keine kontinuierliche Stromzufuhr benötigt, um die aktuelle Schaltposition zu halten, wenn es einmal betätigt wurde. Erst bei erneutem Stromimpuls schaltet das Relais wieder in die entgegengesetzte Position zurück.

Die Bezeichnung „bistabiles Relais“ bezieht sich dabei allgemein auf die verschiedenen Arten von Relaisschaltern, die in der Lage sind, ihre letzte Position beizubehalten. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um ein magnetisches oder ein mechanisches System handelt. Es kann sich sowohl um Magnetschaltern mit einfacher oder doppelt gewickelter Spule handeln. Auf die genauen Unterschiede zwischen diesen Bauformen gehen wir später etwas genauer ein.

Die Hauptkomponenten in einem magnetischen oder mechanischen bistabilen Relais sind:

• Anschlüsse oder Magnetspulen aus einer oder mehreren Drahtspulen. Häufig ist dies ein Kupferdraht, der einen geringen Widerstand aufweist und eine effiziente Stromübertragung ermöglicht.
• Ein kleiner Metallstreifen oder Anker, der einen Übergang zwischen diesen beiden Spulen bildet und dazu dient, den Stromkreis zwischen Ein- und Ausgängen zu schließen.

Unter Strom erzeugen die Spulen in einem bistabilen Relaisschalter ein Magnetfeld, das den Anker (in elektromagnetischen Relais oft als „Reedschalter“ bezeichnet) bewegt. Der Streifen wechselt entsprechend seine Position von der einen zur anderen Klemme. Der Schaltvorgang kann entweder zur Schließung oder Unterbrechung eines einzelnen Stromkreises oder als Methode zur Stromumschaltung zwischen zwei getrennten Stromkreisen eingerichtet werden.

Bei einem bistabilen Relais bleibt dieser Anker in der Position, in die er bewegt wurde. Sie ändert sich erst, wenn er durch einen weiteren Stromimpulses dazu gebracht wird, sich wieder in die entgegengesetzte Richtung zurückzubewegen.

Der Vorteil solcher Relais ist, dass der Eingangsstrom nur für kurze Spannungsimpulse benötigt wird, nämlich zum Umschalten von einem Zustand. Bei korrekter Anwendung verbrauchen bistabile Relais also langfristig weitaus weniger Strom als andere Typen.

Neben den bisher erwähnten Ausführungen, die nach magnetischem oder mechanischem Prinzip funktionieren, gibt es auch eine dritte Art: die impulsgeschalteten Relais. In diesem Abschnitt betrachten wir diese drei Haupttypen näher und die genauen Vor- und Nachteile. Grundsätzlich teilt man bistabilen Relais in zwei Hauptarten ein: Varianten mit einer und mit zwei Spulen:

• Magnetische bistabile Relais mit einer Spule erfordern ein Umschalten der Polarität, wenn der Stromimpuls an die Spule gesendet wird, um den Metallstreifen zwischen zwei Anschlüssen von der einen in die andere Position zu bewegen. Anders ausgedrückt: eine Spule übernimmt sowohl Set- als auch Reset-Funktion (Setzen/Rücksetzen), abhängig von der Eingangsflussrichtung.
• Im Gegensatz dazu verfügen Doppelspulenrelais sowohl über eine individuelle Set-Spule als auch Reset-Spule, und ein Spannungsimpuls kann an jede Spule angelegt werden, wenn der Schalter betätigt wird, um sie zu bewegen und die erforderliche Aktion auszuführen.

Magnetische Bistabile Relais

Diese sind wohl die am weitesten verbreitete Konfiguration für bistabile Relais. Hier erzeugt ein einziger Stromimpuls an einer Spule kurzzeitig ein elektrisches Feld, das einen Reedschalter in die eine oder andere Richtung bewegt. Hört der Strom auf zu fließen, bleibt das bistabile Relais elektromagnetisch weiterhin in seiner Position und ändert diese erst, wenn ein weiterer, umgelenkter Impuls durch die Spule(n) gesendet wird.

Besonders nützlich sind magnetische bistabile Relais in Anwendungen, in denen die Position des Schalters bei unterbrochenem Stromfluss beibehalten werden soll.

Weitere Vorteile:

• generell kompaktere Bauform als mechanische Varianten
• geringerer Verschleiß durch weniger physische Bewegung innerhalb des Schalters

Mechanische bistabile Relais

Diese sind wohl die am weitesten verbreitete Konfiguration für bistabile Relais. Hier erzeugt ein einziger Stromimpuls an einer Spule kurzzeitig ein elektrisches Feld, das einen Reedschalter in die eine oder andere Richtung bewegt. Hört der Strom auf zu fließen, bleibt das bistabile Relais elektromagnetisch weiterhin in seiner Position und ändert diese erst, wenn ein weiterer, umgelenkter Impuls durch die Spule(n) gesendet wird.

Besonders nützlich sind magnetische bistabile Relais in Anwendungen, in denen die Position des Schalters bei unterbrochenem Stromfluss beibehalten werden soll.

Weitere Vorteile:

• Generell kompaktere Bauform als mechanische Varianten
• Geringerer Verschleiß durch weniger physische Bewegung innerhalb des Schalters

Mechanische bistabile Relais

Im Gegensatz zu einem magnetischen bistabilen System verwendet ein mechanisches bistabiles Relais einen physischen Verriegelungsmechanismus, um den Anker in der letzten Position, in die er bewegt wurde, gegen den Kontakt zu halten. Elektromechanische Relais bringen verschiedene Vor- und Nachteile mit sich. So sind sie konstruktionsbedingt größer und sperriger als ihre elektromagnetischen Pendants. Im Gegenzug sind mechanische bistabile Relais in der Regel besser in der Lage, unerwartete Stromstöße zu bewältigen. Da die Schaltgeschwindigkeit aufgrund des Umfangs des längeren Weges, den die mechanische Bewegung benötigt, begrenzt ist, sind sie für bestimmte Anwendungen eher ungeeignet.

Weitere Vorteile:

• Unter höheren Belastungen nimmt die voraussichtliche Lebenserwartung mit der Zeit oft sehr viel langsamer ab als bei magnetischen Reed-Versionen
• Kontakte sind weniger anfällig für Schwächungen während thermischer Zyklen als ein elektromagnetisches bistabiles Relais

Bistabile Stromstoßrelais

Stromstoßrelais sind eine Form von magnetischen bistabilen Relais, die den Kontaktzustand mit jedem nachfolgenden Eingangsimpuls ändern. Beim Anlegen der Spannung bestimmt das bistabile Stromstoßrelais automatisch, in welcher Position sich der Schalter befindet, und erregt jedes Mal die gegenüberliegende Spule, um ihn zu betätigen oder zu bewegen.

Das bistabile Stromstoßrelais tut dies typischerweise durch die Verwendung einer Festkörper-Steuerschaltung, die es ermöglicht, dass der Eingangsimpuls unidirektional ist, ohne dass der Steuerimpuls umgedreht oder die Polarität umgekehrt werden muss. Stromstoßschalter eignen sich daher gut für Anwendungen, bei denen ein einzelnes Relais von einem oder mehreren Orten aus mit einem einzigen Tastschalter oder Druckknopf ein- oder ausgeschaltet werden muss.