Relaistypen und Arbeitsprinzip

Ein Relais ist ein elektrisch betriebener Schalter, der zum Trennen von Stromkreisen, zum Umschalten zwischen Stromkreisen und zum Steuern eines Stromkreises mit hoher Leistung durch ein Signal mit niedriger Leistung verwendet wird. Relais werden nach ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise eingeteilt, z. B. elektromechanische, Halbleiter- und Reed-Relais. Dieser Artikel befasst sich mit den verschiedenen Arten von Relais, ihren Funktionsprinzipien und ihren vielfältigen industriellen Anwendungen.

Inhaltsübersicht

• Allgemeine Terminologie
• Basierend auf Stangen und Wurf
• Auf der Grundlage von Funktionsprinzipien
• Basierend auf der Anwendung
• Auf der Grundlage von Formularen
• Anwendungen
• FAQs

Allgemeine Terminologie

In einem Relais gibt es vier Arten von Anschlüssen:

• Steuereingang (Spulenklemmen): Zwei Eingangsklemmen zur Steuerung des Schaltmechanismus.
• Gemeinsam (COM): Diese Klemme dient als Ausgang für das Relais und ist der Anschluss für eine Seite des Lastkreises. Intern ist diese Klemme mit einer der beiden anderen Klemmen verbunden, die je nach Zustand des Relais variiert.
• Normalerweise offen: Die Schließerklemme (NO) ist eine weitere Lastklemme an einem Relais, die bei inaktivem Relais nicht angeschlossen ist. Die Klemme NO ist mit der Klemme Common (COM) verbunden, wenn das Relais aktiviert ist.
• Normalerweise geschlossen: Die Öffnerklemme (NC) ist eine zusätzliche Lastklemme an einem Relais. Unter normalen Umständen, d. h. ohne Steuereingang, bleibt diese Klemme mit der Klemme Common (COM) verbunden. Wenn das Relais jedoch aktiviert wird, unterbricht die NC-Klemme ihre Verbindung mit der COM-Klemme und bleibt offen, bis das Relais deaktiviert wird.

Lesen Sie unseren Artikel über Relaisanwendungen, um mehr über die Funktionsweise und Verdrahtung von Industrierelais zu erfahren.

Stangen und Wurf

• Pfahl: Der Begriff "Pole" bezieht sich auf die Anzahl der einzelnen Stromkreise, die das Relais schalten oder steuern kann. Jeder Pol steht für einen einzelnen Schalter innerhalb des Relais; ein einpoliges Relais hat beispielsweise einen Schalter und kann einen Stromkreis steuern, während ein zweipoliges Relais zwei Schalter hat und zwei Stromkreise unabhängig voneinander steuern kann.
• Werfen: Der Begriff "Wurf" gibt die Anzahl der Positionen an, an die jeder Pol angeschlossen werden kann. Dies beschreibt die Anzahl der Ausgänge, an die jeder Schalter angeschlossen werden kann. Ein Umschaltrelais hat beispielsweise eine Position pro Pol, was bedeutet, dass jeder Schalter nur mit einem Ausgang verbunden werden kann. Im Gegensatz dazu hat ein Umschaltrelais zwei Positionen pro Pol, so dass jeder Schalter mit einem von zwei Ausgängen verbunden werden kann.

Basierend auf Stangen und Wurf

Tabelle 1: Die Klassifizierung der Relais basiert auf der Anzahl der Pole und des Wurfs innerhalb eines Relais.

Relais-Typ	Beschreibung	Diagramm
SPST (einpolig, auslösend)	Ein SPST-Relais steuert nur einen Stromkreis (einpolig). Sie hat zwei Stellungen: Ein und Aus (Einfachauslösung). Er schaltet den Stromkreis ein oder aus, wenn er umgedreht wird.
SPDT (einpoliger Umschalter)	Ein SPDT-Relais steuert nur einen Stromkreis (einpolig). Er hat zwei Zustände; in jedem Zustand bleibt einer seiner Schaltkreise geschlossen, während der andere offen bleibt, und dieser Zustand kehrt sich im Wechselzustand um.
DPST (Zweipoliger Einwegschalter)	Der Begriff "zweipolig" weist darauf hin, dass er in der Lage ist, zwei völlig getrennte Stromkreise unabhängig voneinander zu verwalten. Einpolig" bedeutet, dass jeder Pol eine einzige leitende Position hat.
DPDT (Zweipoliger Umschalter)	Der Begriff "zweipolig" bedeutet, dass er zwei verschiedene Stromkreise steuern kann, und "doppelt schaltend" bedeutet, dass jeder Pol in zwei verschiedenen Stellungen schalten kann.

Auf der Grundlage von Funktionsprinzipien

Relais werden aufgrund ihres Funktionsprinzips in mehrere Kategorien eingeteilt.

Elektromechanisches Relais

Ein elektromechanisches Relais hat eine Spule und einen mechanisch betätigten Kontakt. Bei Erregung der Spule wird ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld zieht den Anker (den beweglichen Kontakt) an. Umgekehrt verliert die Spule ihr Magnetfeld, wenn sie stromlos wird, und eine Feder zieht den Anker in seine ursprüngliche Position zurück. Lesen Sie unseren Artikel über Leistungsschalter, um mehr über den Aufbau und die Funktionsweise von elektromechanischen Relais zu erfahren.

Das elektromagnetische Relais (EMR) kann je nach Anwendung mit einer AC- oder DC-Stromquelle verwendet werden. Der Aufbau von EMR-Relais für Wechsel- und Gleichstrom unterscheidet sich geringfügig, insbesondere in der Gestaltung der Spulen.

Der Hauptnachteil eines elektromagnetischen Relais (EMR) besteht darin, dass seine Kontakte dazu neigen, einen Lichtbogen zu erzeugen, wenn sie sich trennen, was mit der Zeit zu einem Anstieg des Kontaktwiderstands führen kann. Dieser progressive Anstieg des Widerstands führt folglich zu einer Verkürzung der Gesamtlebensdauer des Relais.

Festkörperrelais

Ein Halbleiter- oder elektronisches Relais (SSR) besteht aus Halbleiterkomponenten und nicht aus mechanischen Elementen. Wenn ein Steuersignal an ein Solid-State-Relais (SSR) angelegt wird, leuchtet eine interne Leuchtdiode (LED) auf und sendet Infrarotlicht aus. Dieses Licht wird von einem lichtempfindlichen Halbleiterbauelement erfasst, das dann das Lichtsignal in ein elektrisches Signal umwandelt und den Schalter aktiviert.

Halbleiterrelais arbeiten mit einer relativ hohen Geschwindigkeit und verbrauchen viel weniger Strom als elektromagnetische Relais (EMR). Außerdem haben sie eine längere Lebensdauer, da es keine physischen Kontakte gibt, die sich abnutzen könnten. Ein erheblicher Nachteil von SSRs ist jedoch der inhärente Spannungsabfall über dem Halbleiter, der zu Leistungsverlusten durch Wärmeabgabe führt. Es gibt auch Hybridrelais, die sich aus SSR- und EMR-Relaistypen zusammensetzen.

Reed-Relais

Ein Reed-Relais besteht aus einem Reed-Schalter und einer elektromagnetischen Spule, oft zusammen mit einer Diode zum Schutz gegen elektromotorische Gegenkraft (back EMF). Der Reed-Schalter besteht aus zwei schlanken Metallzungen aus ferromagnetischem Material, die in einem Glasrohr eingeschlossen sind (Abbildung 4, Bezeichnung C). Dieses Glasrohr trägt auch die Metallzungen und ist mit einem Inertgas gefüllt, um Oxidation und Verunreinigung zu verhindern. Bei Erregung der Spule (Abbildung 4, Kennzeichnung B) werden die ferromagnetischen Metallzungen im Reedschalter magnetisch angezogen, wodurch ein geschlossener Stromkreis entsteht. Da es keine bewegliche Armatur gibt, ist das Problem des Kontaktverschleißes praktisch nicht vorhanden. Darüber hinaus wird durch das Vorhandensein von Inertgas in der versiegelten Glasröhre die Lebensdauer des Schalters verlängert, da Korrosion und andere Formen der Zersetzung verhindert werden.

Thermisches Relais

Ein elektrothermisches Relais besteht aus einem bimetallischen (aus zwei Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden) Streifen. Wenn der Strom durch den Leiter fließt, erzeugt er Wärme, wodurch sich die Temperatur des Bimetalls erhöht und ausdehnt. Das Metall mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnt sich stärker aus als das andere. Dadurch verbiegt sich der Streifen und schließt die Kontakte, um die Auslöseschaltung zu aktivieren. Thermorelais werden normalerweise für den Schutz von Elektromotoren verwendet.

Basierend auf der Anwendung

Sequenzer-Relais

Die Hauptfunktion eines Folgerelais besteht darin, die Abfolge der Vorgänge zwischen verschiedenen elektrischen Geräten oder Systemkomponenten zu steuern. Er empfängt ein Signal, das bestimmte Ereignisse in einer bestimmten Reihenfolge auslöst. Diese Relais sind oft mit mehreren Kontakten ausgestattet, die in einer bestimmten Reihenfolge schließen oder öffnen, wenn das Relais erregt wird. Dieser gestaffelte Betrieb ermöglicht es dem Relais, mehrere Stromkreise schrittweise zu steuern. Sequenzerrelais werden in der Regel dort eingesetzt, wo ein präzises Timing und die Reihenfolge der Vorgänge entscheidend sind. Zum Beispiel:

In einem HLK-System kann ein Sequenzerrelais die Reihenfolge steuern, in der die Heizelemente aktiviert werden, um einen großen anfänglichen Stromstoß zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Luft richtig zirkuliert, bevor die Heizung eingeschaltet wird.

Der Sequenzer kann den Gebläsemotor eines Elektroofens aktivieren, um sicherzustellen, dass die Luft durch das System strömt. Nach einer kurzen Verzögerung wird die erste Gruppe von Heizelementen aktiviert und nach einer weiteren Verzögerung werden bei Bedarf weitere Elemente aktiviert. Diese kontrollierte Abfolge trägt dazu bei, das elektrische System und die Komponenten vor Überlastung zu schützen und einen effizienten Betrieb zu gewährleisten.

Differenzialrelais

Ein Differenzialrelais ist ein Schutzgerät, das in elektrischen Stromnetzen zur Erkennung von Fehlern in Geräten wie Transformatoren, Generatoren, Motoren und Sammelschienen eingesetzt wird. Sie vergleicht zwei elektrische Größen, in der Regel Ströme, an verschiedenen Stellen des Geräts. Übersteigt die Differenz zwischen diesen Größen einen vorgegebenen Wert, löst das Relais aus, öffnet einen Leistungsschalter und trennt das fehlerhafte Gerät vom übrigen System. Dies trägt dazu bei, Geräteschäden zu vermeiden und das Personal vor elektrischen Gefahren zu schützen.

Distanz-Relais

Ein Distanzrelais ist ein Schutzrelais, das in elektrischen Stromnetzen vor allem zum Schutz von Übertragungsleitungen eingesetzt wird. Es misst die Impedanz (den kombinierten Widerstand gegen den Stromfluss) zwischen dem Relaisstandort und dem Fehler auf der Leitung. Durch den Vergleich der gemessenen Impedanz mit voreingestellten Werten kann das Relais den ungefähren Ort des Fehlers bestimmen und den fehlerhaften Leitungsabschnitt durch Auslösen des zugehörigen Leistungsschalters isolieren.

Selbsthaltendes Relais

Ein selbsthaltendes oder bistabiles Relais ist ein elektromechanischer Schalter, der sich in einem wesentlichen Punkt von einem Standardrelais unterscheidet: Er behält seinen Schaltzustand bei, ohne dass seine Spule kontinuierlich mit Strom versorgt wird. Dieses 'Latching'-Verhalten macht ihn ideal für Anwendungen mit unterbrochener Stromversorgung oder wenn der Schalter auch nach Wegnahme des ursprünglichen Auslösesignals aktiviert bleiben soll.

Zeitverzögerungsrelais

Ein Zeitverzögerungsrelais, auch Timer-Relais genannt, führt eine kontrollierte Pause zwischen der Anwendung eines Signals und der Aktivierung seines Ausgangs ein. Dadurch kann das Relais die zeitliche Steuerung von Stromkreisen übernehmen, was in vielen automatisierten Prozessen und Kontrollsystemen von entscheidender Bedeutung ist.

Frequenzrelais

Frequenzrelais erkennen Abweichungen in der elektrischen Netzfrequenz und reagieren darauf. Sie sind für die Stromerzeugung und -verteilung von entscheidender Bedeutung. Das Sicherheitsrelais löst Leistungsschalter aus, um Lasten oder Generatoren abzuschalten, wenn die Frequenz außerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt, was eine mögliche Überlastung oder einen Erzeugungsausfall anzeigt. Dies trägt dazu bei, das Gleichgewicht wiederherzustellen und weitreichende Stromausfälle oder Geräteschäden zu vermeiden.

Auf der Grundlage von Formularen

Tabelle 2: Relaisklassifizierung anhand von Formularen

Typ des Formulars	Beschreibung	Diagramm
Formular A	SPST mit NO Voreinstellung
Formular B	SPST mit NC-Voreinstellung
Formular C	SPDT mit Doppelkontaktklemmen (NO und NC)
Formular D	Ähnlich wie Form C, jedoch wird der nächste Stromkreis geschlossen, bevor der erste Stromkreis unterbrochen (geöffnet) wird.

Anwendungen

• Relais sorgen für die Trennung zwischen Niederspannungs- und Hochspannungsstromkreisen.
• Sie werden zur gleichzeitigen Steuerung mehrerer Stromkreise verwendet.
• Relais können als automatische Umschalter fungieren, um Lasten zwischen Stromkreisen zu übertragen.
• Mikroprozessoren verwenden Relais zur Steuerung schwerer elektrischer Lasten.
• Überlastrelais werden eingesetzt, um Motoren vor Überlast und elektrischen Fehlern zu schützen.

FAQs

Wozu werden Relais verwendet?

Relais schalten Schaltkreise ein/aus, indem sie ein Signal mit geringer Leistung zur Steuerung eines Schaltkreises mit höherer Leistung verwenden und eine Isolierung zwischen den beiden herstellen.

Was ist der Unterschied zwischen einem selbsthaltenden und einem nicht selbsthaltenden Relais?

Ein selbsthaltendes Relais behält seine Kontaktstellung nach Wegnahme der Betätigungsenergie bei, während ein nicht selbsthaltendes Relais eine konstante Betätigungsenergie benötigt, um in seinem erregten Zustand zu bleiben.

Was ist der Unterschied zwischen einem Reed-Relais und einem elektromagnetischen Relais?

Reed-Relais verwenden magnetische Zungen zum Schalten; sie sind kleiner und schneller, während elektromagnetische Relais Spulen und Anker verwenden und mehr Leistung aufnehmen können.

Was ist ein Kleinsignalrelais?

Ein Kleinsignalrelais dient zum Schalten von elektronischen Signalen mit geringer Leistung, hoher Präzision und kurzen Reaktionszeiten.