- Veröffentlicht am 6. Sept. 2024
- Zuletzt bearbeitet am 6. Sept. 2024
- 8 min
Wie funktioniert ein Relais?
Relais spielen eine entscheidende Rolle bei der zunehmenden Automatisierung. Obwohl sie recht einfach aufgebaut sind, erfüllen sie wichtige Aktivierungs- und Überwachungsaufgaben, die ein reibungsloses und nahtloses Funktionieren zahlreicher Geräte ermöglichen. Vielleicht noch wichtiger ist, dass sie auch einen sicheren Betrieb gewährleisten und in der Lage sind, potenziell gefährliche Fehler zu erkennen und zu isolieren, sobald sie auftreten.
Ein Relais ist ein Gerät, das die Betriebsbedingungen, unter denen es aktiviert wird, durch eine einfache Änderung des Stroms modifiziert. In Stromkreisen mit geringer Leistung eingesetzt, verhält es sich im Wesentlichen wie ein herkömmlicher Schalter, indem es dazu dient, einen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen; der Funktionsmechanismus ist jedoch völlig anders.
Elektromagnetische Relais enthalten ein Steuerelement, das aus einem Elektromagneten besteht, der durch Änderungen des Eingangsstroms ausgelöst wird. Elektronische Relais verwenden ebenfalls elektronische Komponenten und haben keine beweglichen mechanischen Teile. Ein Thermorelais hingegen ist mit einem thermosensitiven Element ausgestattet und wird bei Erreichen eines vordefinierten Temperaturwertes durch den Stromfluss aktiviert.
Wo werden Relais eingesetzt?
Relais werden im Wesentlichen zur Steuerung sehr hoher elektrischer Lasten eingesetzt, ohne dass sie direkt mit Hochspannungskomponenten interagieren müssen. Dies ist ein praktischer und relativ wirtschaftlicher Weg, um Prozesse zu automatisieren; außerdem ist es sicher und effizient. Relais werden in allen Arten von Anwendungen in allen möglichen Bereichen eingesetzt. In der Industrie findet man sie in der Motorsteuerung von einzelnen Maschinen bis hin zu Schalttafeln ganzer Maschinenanlagen für eine gesamte Industriesteuerungs-Lösung. In der Industrie 4.0 wird ihre Bedeutung durch die Verbreitung von Robotik-Lösungen massiv erhöht.
Bei einigen Relais kann man auch festlegen, wann sie aktiviert werden, indem man bestimmte Zeitintervalle für ihre Aktivierung bestimmt (z. B. bei Scheibenwischern im Auto). Vielleicht noch wichtiger ist jedoch, dass Relais speziell für die Sicherheit eingesetzt werden, da sie Fehler im Stromkreis erkennen und isolieren können.
Aufbau eines Relais
Vereinfacht gesagt, besteht jedes Relais aus folgenden Komponenten:
- Sockel, auf dem alle anderen Elemente ruhen
- Spule, die ein Magnetfeld erzeugt, wenn der elektrische Strom durch sie fließt
- Kern, der den Anker des Relais an sich zieht, wenn das Magnetfeld erzeugt wurde
- Anker, der bewegliche Teil des Relais, der durch das elektromagnetische Feld vom Kern angezogen wird; wenn dies geschieht, geht ein Kontakt von offen auf geschlossen über, wodurch ein Stromkreis aktiviert wird;
- Kontakte, ein Relais kann 1, 2, 3 oder mehr Kontakte haben; ein Kontakt kann entweder normalerweise offen („Normally Open“, oder „NO“) oder normalerweise geschlossen („Normally Closed“, oder „NC“) sein.
Zudem werden Relais abgedeckt, um die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung oder eines versehentlichen Kontakts mit anderen Verkabelungen zu verringern.
Kfz-Relais
Im Zuge des technischen Fortschritts werden in der neuen Generation von Kraftfahrzeugen, die mit digitalen Armaturenbrettern und Multimedia-Zentren ausgestattet sind, immer mehr elektrische Komponenten verwendet, ganz zu schweigen von den Selbststeuerungsfunktionen. Kfz-Relais werden in zwei Kategorien unterteilt: Hilfsrelais und elektronische Relais.
- Hilfsrelais werden auch als elektromechanische Relais bezeichnet und haben die Aufgabe, verschiedene Fahrzeugkomponenten wie die Kraftstoffpumpe, die elektrischen Fensterheber und Schlösser sowie das Abblend- und Fernlicht zu betätigen. Ihr Aufbau besteht aus einer Spule, Kontakten, Anschlüssen und dem Kern.
- Elektronische Relais enthalten eine elektronische Schaltung, die mit einem elektromechanischen Relais verbunden ist. Ihre Funktionen beschränken sich auf das Einschalten des Blinkers und der Warnblinkanlage mit einer bestimmten Frequenz. In einigen Fällen warnen sie auch vor dem Durchbrennen einer bestimmten Glühbirne im Fahrzeug.
Arten von Relais
Insgesamt können drei Arten von Relais unterschieden werden:
- Zeitrelais werden bei Schaltvorgängen eingesetzt, die eine Zeitsteuerung erfordern, und sind in industriellen Prozessen wie Schalttafeln und Motorstartern weit verbreitet.
- Thermorelais werden eingesetzt, wenn eine entsprechende Wirkung auf einen Temperaturanstieg erforderlich ist. Diese Geräte dienen dem Schutz vor elektrischer Überlastung und werden im Allgemeinen in Elektromotoren eingesetzt, um eine Überhitzung des Bauteils zu verhindern.
- Schutzrelais sind so konzipiert, dass sie Geräte in Abhängigkeit von voreingestellten Werten ein- oder ausschalten. Sie werden auch zur Messung von Spannung, Strom, Isolierung, Temperatur, Phasenfolge usw. eingesetzt.
Relais können auch als offene, geschlossene oder abgedichtete Relais klassifiziert werden und ihre Verwendung kann durch ihre Eigenschaften definiert werden.
Reed-Relais
Reedrelais sind hermetisch verschlossene Schalter in Glaskolben. Zwei Lamellen im Inneren eines Glaskolbens können durch die Wirkung eines Magnetfeldes so bewegt werden, dass sie die Kontakte schließen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dieses Element in eine Spule einzubauen, wodurch ein Bauteil entsteht, das als Reed-Relais bezeichnet wird. Die Flexibilität der verwendeten Lamellen ermöglicht es, dass sehr schwache Magnetfelder auf sie einwirken und die Kontakte schließen, wodurch äußerst empfindliche und kompakte Relais entstehen. Diese Empfindlichkeit bedeutet, dass Reed-Relais nicht mit hohen Strömen oder sehr hohen Spannungen arbeiten können.
Halbleiterrelais
Das Halbleiterrelais, auch bekannt als SSR (Solid State Relay), ist ein Halbleiterbauelement, das die gleichen Funktionen wie ein herkömmliches elektromechanisches Relais hat, sich aber von diesem dadurch unterscheidet, dass es keine mechanischen Elemente oder beweglichen Teile in seinem Mechanismus hat. Daher basiert sein Betrieb auf Halbleiterkomponenten anstelle von physischen Kontakten wie MOSFETs und Thyristoren.
Erdschlussrelais
Diese Sicherheitseinrichtung wird in elektrischen Systemen mit hoher Erdungsimpedanz eingesetzt, um kleine parasitäre Spannungen in den Metallgehäusen elektrischer Geräte zu erkennen. Sobald es eine gefährliche Spannung feststellt, unterbricht es den Stromkreis. Dadurch schützt sie vor transienten Auslösungen und verhindert elektrische Schläge.
Zeitrelais
Zeitrelais sind in der Lage, Schaltvorgänge nach Zeitintervallen auszuführen, die während oder nach ihrer Aktivierung eingestellt werden. Wie andere Schütze und Relais verfügt das Zeitrelais über Hilfskontakte, die entsprechend der eingestellten Zeitzählung schalten.
Sicherheitsrelais
Diese Relaistypen werden auch Schütze genannt und überwachen Sicherheitsfunktionen, wie z. B. die Notabschaltung von Maschinen, Schutztüren, Lichtvorhängen, Perimeterschutz usw. Es ist das Gerät, das für die Aktivierung dieser Funktionen verantwortlich ist. Der Unterschied zwischen Relais und Schütz besteht vor allem darin, dass ein Schütz für höhere Schaltleistungen eingesetzt werden kann; zudem besitzt er mehrere Hilfskontakte.
In einer Situation, in der eine mögliche Gefahr besteht, wird das Sicherheitsrelais aktiviert, um das Risiko auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Wenn ein Fehler auftritt, löst das Relais eine sichere und zuverlässige Reaktion aus, sowohl für die Bediener als auch für die Anlage selbst. Ein Sicherheitsrelais überwacht eine einzelne, bestimmte Funktion, kann aber auch zur Überwachung der gesamten Anlage oder Maschine eingesetzt oder mit anderen Sicherheitsrelais verbunden werden.
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Relais anschließen
Will man das Relais einbauen, so wird beim Anschluss die Relaisspule mit der Steuerquelle und die Kontakte mit dem zu steuernden Stromkreis verbunden.
Einer der Spulenanschlüsse wird mit der Steuerquelle verbunden, die ein Mikrocontroller, ein Schalter oder ein anderes Gerät sein kann, das die Steuerspannung liefert. Der andere Spulenanschluss wird mit Masse oder der negativen Seite der Steuerquelle verbunden. Die gemeinsame Klemme wird dann an den Stromanschluss des zu steuernden Geräts, z. B. einer Lampe, angeschlossen.
Damit der Stromkreis geschlossen (eingeschaltet) ist, wenn das Relais aktiviert wird, muss die NO-Klemme (Normally Open) mit der anderen Seite des Lastgeräts verbunden werden. Umgekehrt muss, wenn der Stromkreis bei aktiviertem Relais geöffnet (aus) sein soll, die normalerweise geschlossene (NC, normally closed) Klemme mit der anderen Seite des Lastgeräts verbunden werden.
Relais testen
Vor Beginn einer Prüfung ist es aus Sicherheitsgründen ratsam, den Schaltplan oder das Handbuch des Relais zu konsultieren. Die Anschlussbelegung des Geräts ist in der Regel genormt, aber es ist ratsam, das Handbuch zu Rate zu ziehen, um direkt vom Hersteller genauere Informationen zu erhalten. Einige dieser Informationen, wie z. B. die Anzahl der Stifte, sind normalerweise auf dem Relais aufgedruckt.
Eine grundlegende visuelle Analyse des Geräts ist der übliche Ausgangspunkt. Die meisten auf dem Markt erhältlichen Relais haben ein transparentes Gehäuse, in dem sich die Spule und die Kontakte befinden. Durch die Identifizierung sichtbarerer Schäden ist es möglich, die möglichen Ursachen des Problems einzugrenzen.
Die meisten Stromrelais verfügen über eine LED, die anzeigt, ob das Gerät eingeschaltet ist. Wenn die LED nicht leuchtet, obwohl das Relais oder die Spulenanschlüsse mit Strom versorgt werden, kann man davon ausgehen, dass das Relais beschädigt ist. Andernfalls werden ein Digitalmultimeter und ein Spannungsquellen-Lesegerät zum Testen benötigt. Für alle weiteren Maßnahmen muss das Relais von der Stromquelle getrennt werden. Alle Tätigkeiten, die mit Elektrizität zu tun haben, sollten bei ausgeschalteten Stromquellen durchgeführt werden. Besondere Aufmerksamkeit sollte den Kondensatoren im betreffenden Stromkreis gewidmet werden, da sie in der Lage sind, eine Ladung für eine beträchtliche Zeit zu speichern, selbst nachdem die Stromquelle entfernt worden ist.