3.6. Relaisschaltungen history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 05.12.19 15:43:41
Zur Steuerung großer Leistungen und oder zum Ansteuern sowie galvanischen Trennen von Stromkreisen, werden in einfachster Bauform immer noch Relais in ihrer klassischen Ausführung bevorzugt. Für die Robotertechnik werden Relais wieder sehr interessant.
Das Logo für das Relais habe ich übrigens deshalb und genau so so gewählt, weil es fast präzise vor meiner Haustüre steht und die "Klassische Verstärkerwirkung" zum Ausdruck bringt. Das Wasser bekommt "Gefälle" und dessen kinetische Energie kann und wird zur Elektroenergiegewinnung genutzt.
1. Technisches Prinzip von Relais und Schaltschütz
2. Installationstechnik mit Relais
3. Selbsthalteschaltung
4. Umkehrschaltungen mit Relais

5. Logikschaltung mit Relais
6. Moderne Relais und Tipps dazu ...
7. "Rechnen" mit Relais
8. Verwandte Themen

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Relais-Logo

begrenzt verwendbar - selbst aufpassen, ab welcher Stelle es Blödsinn wird ;-)

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Quellen:
Gegenüber elektronischen Schaltern weisen Relais folgende Vorteile auf:
  • Schalten mehrerer Stromkreise gleichzeitig möglich
  • Schalten großer Leistungen auf einfache Weise
  • On-Widerstand sehr klein
  • Off-Widerstand praktisch unendlich
  • galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis
  • hohe Ströme und Spannungen im Lastkreis möglich
  • geringe Kapazität der Schaltstrecke
  • hohe Oberlastbarkeit der Ansteuerung
  • störfest durch Hystereseverhalten der Spule
  • Relais können geringste Signale bis hohe Hochfrequenz-Leistungen schalten und zeigen dabei wenig Neigung zum Übersprechen.

Von Nachteil sind

  • die geringe mögliche Schaltfrequenz
  • die Induktivität der Spule (hohe Induktionsspannung beim Abschalten)
  • die begrenzte Schaltzykluszahl.

1. Technisches Grundprinzip von Relais und Schaltschütz history menue scroll up
Beide funktionieren mit Steuer- und Arbeitsstromkreis und beiden ist gemein, dass sie mit Hilfe relativ kleiner Leistungen größere schalten können - insofern fungieren sie auch als Schaltverstärker. Bedingst dadurch, dass die eigentlichen Schalthebel aus isolierendem Material bestehen, bieten beide faktisch auch eine galvanische Trennung von Arbeits- und Steuerstromkreis, was bei einer Transistorschaltung definitiv nicht der Fall ist. Schaltschütze setzen da noch einen drauf - schalten extrem große Ströme - schließen und öffnen extrem schnell und verfügen über eine Art "Windkanal", um den Abriss-Funken zu löschen.
Wie funktioniert eigentlich ein Relais?

Aufbau des Relais im passiven Zustand

Relais im aktiven Zustand

Funktionsweise eines Relais

Aufbau eines Relais

... und nun mal ganz praktisch ...

Prinzipaufbau gut erkenn- und somit Funktion ableitbar

hier kann man den Klappanker sehr schön sehen

dieses Relais verfügt über insgesamt 4 Wechselkontakte, welche gemeinsam betätigt werden

ich bin der aktive Steuerstromkreis - die Relasikontakte schalten um

einfach nur mal Bilder von einem Relais - im Vortrag kommentiere ich die dann ;-)

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2. Installationstechnik mit Relais history menue scroll up
Fast alle Funktionen beispielsweise in PKW werden mit Hilfe von Relais geschalten (zum Beispiel das Fernlicht). VierGrundprinzipien der Elektrotechnik vereinen Relais in sich, wenn wir Optimierungsparameter außen vor lassen geradezu ideal, und das macht sie eben auch heute noch zu 1A-Kandidaten für die Schaltungstechnik:
  • der Verstärungsfaktor ist nahezu gigantisch
  • es gibt eine "galvanische Trennung beider stromkreise
  • wir können im Arbeits- und/oder Steuerstromkreisen mit verschiedenen Spannungswerten arbeiten
  • bis zu einer unteren Grenzfrequenz in der Steuerseite ist Relais auch die Stromart (Gleich- oder Wechselstrom) völlig wurscht!

Negatorschaltung mittels Relais


3. Selbsthalteschaltung history menue scroll up
Selbsthalteschaltungen spielen genau dort eine entscheidende Rolle, wo schnell und ohne Gefährdung hohe Spannungen geschalten werden müssen oder sollen. Das ist zum Beispiel bei Maschinen der Fall, wo die relativ hohe Spannung des Drehstromes von ca. 380 Volt  gefahrlos zu- und abgeschalten werden soll - und zwar ohne mit der hohen Spannung sowie den meist vorherrschenden Strömen im 2-stelligen Ampere-Bereich in Kontakt zu kommen.

Selbsthalteschaltung mit Überbrückung des EIN-Schalters


4. Umkehrschaltungen mit Relais history menue scroll up
Hiezu muss das Relais mit Wechselkontakten ausgestattet sein.

5. Logik mit Relais history menue scroll up
Hiezu ist es zumindest in der Praxis vorteilhaft, wenn das Relais mit Wechselkontakten ausgestattet ist. Auch wenn Relais als veraltet erscheinen, finden sie bis heute in der Steuerungstechnik als "kräftige Leistungsverstärker" zur Steuerung von Starkstromanlagen Anwendung. Sie können aber immer noch grundsätzlich als Logikbauteile eingesetzt werden. Leider benötigen wir Amateure immer Relais mit kleinsten Spannungen - und die sind dann gleich richtig teuer.

Logikschaltungen mittels Relais - Schaltung 1

Logikschaltungen mittels Relais - Schaltung 2

Logikschaltungen mittels Relais - Schaltung 3


6. Moderne Relais und Tipps dazu ... - Frank Sichla, DL7VFS in CQDL Heft 10/2017
Elektromechanische Relais wirken vielleicht langweilig, erlauben jedoch gerade in der Bastelpraxis pfiffige Schaltungslösungen. Daher lohnt es sich, dieses Thema hier noch einmal aufzufrischen. Die richtige Einschätzung, Auswahl und Anwendung von Relais bereitet dann kein Kopfzerbrechen mehr. Besonders interessante Nachbauschaltungen mit Relais folgen zudem in der nächsten Bastelecke.
Sagt Ihnen der Name Hans Sauer etwas? Ich glaube kaum. Sauer war ein deutscher Erfinder, der in großen Unternehmen Entwicklungsarbeit leistete und erkannte, dass die eigentlich „alte" Relaistechnologie grundsätzlich erneuert werden konnte. Er arbeitete seitdem an neuen Konzeptionen, die zu über 300 Patenten und zu modernen Hochleistungsrelais führten. Enttäuscht darüber, dass die Bedeutung vieler seiner Entwicklungen von Vorgesetzten nicht erkannt wurde, machte er sich selbstständig - mit großem Erfolg: Seine Miniaturrelais wurden zentrale Bauelemente in elektrischen Geräten und Anlagen. Kein Wunder, waren sie doch 100fach zuverlässiger, 1000-fach effizienter und beim Schaltleistungsbereich sogar 10 000-fach besser als konventionelle Lösungen (lt. Wikipedia).
Aktuelle Produkte können diesen Entwicklungsstand infolge physikalischer Grenzen kaum mehr übertreffen. Trotz kochentwickelter Halbleiterschalter behaupten sie sich bei vielen elektronischen Anwendungen, was die Angebotspaletten der bekannten Händler belegen.
Gegenüber elektronischen Schaltern weisen Relais folgende Vorteile auf:
  • Schalten mehrerer Stromkreise gleichzeitig möglich
  • Schalten großer Leistungen auf einfache Weise
  • On-Widerstand sehr klein
  • Off-Widerstand praktisch unendlich
  • galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis
  • hohe Ströme und Spannungen im Lastkreis möglich
  • geringe Kapazität der Schaltstrecke
  • hohe Oberlastbarkeit der Ansteuerung
  • störfest durch Hystereseverhalten der Spule
  • Relais können geringste Signale bis hohe Hochfrequenz-Leistungen schalten und zeigen dabei wenig Neigung zum Übersprechen.

Von Nachteil sind:

  • die geringe mögliche Schaltfrequenz
  • die Induktivität der Spule (hohe Induktionsspannung beim Abschalten)
  • die begrenzte Schaltzykluszahl.
Kleinrelais

Der Begriff ist nicht weiter definiert, jedoch meint er meist Niederspannungstypen, oft zum Einbau auf Leiterplatten („Printrelais"). Weitere Beispiele sind DIL-Relais, kammgeführte Relais oder SMD-Miniaturrelais. Mittlerweile gibt es Subminiaturrelais mit einem Footprint von z.B. 7,2 mm x 5,3 mm.

Bistabile Relais

Diese können im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Schaltzustände einnehmen. Zu diesen Relais gehören Stromstoßrelais (Stromstoßschalter), Haftrelais, auch als Remanenzrelais bezeichnet, Stützrelais (zur Speicherung von Zuständen auch bei Stromausfällen oder zum Strom sparen bei lange unveränderten Schaltvorgängen) und Doppelspulenrelais (Modelleisenbahn).

Gepolte Relais

Polt man die Spannung eines normalen Relais` um, ändert sich auch die Feldrichtung. Unmagnetisches Material wird jedoch in beiden Fällen immer nur angezogen. Gepolte Relais haben einen Dauermagneten, dessen Feld das der Erregerspule überlagert. Dadurch wird die Anzugsspannung reduziert bzw. die Anzugsempfindlichkeit erhöht. Auch bei ansonsten normalen Relais mit integrierter Freilaufdiode muss die Spannung richtig gepolt angelegt werden. Diese Variante findet man hauptsächlich bei Relais im DIL-Gehäuse.

Koax-Relais

Sie werden zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet und haben eine definierte Leitungsimpedanz (z.B. 50 SZ) zwischen Kontaktweg und Abschirmung. Bei kleinen Leistungen lassen sie sich oft durch wesentlich preisgünstigere Kleinrelais ersetzen.

Reed-Relais

Diese haben meist ein DIP- oder SIP (also zwei- oder einreihiges) Gehäuse, es gibt aber auch die SMT-Bauform. Sie besitzen einen in Schutzgas eingeschlossenen Kontakt, der zugleich Magnetanker ist.
Übrigens: Ein Signalrelais ist ein Relais, das den Anforderungen im Bereich der Zugsicherung genügen muss, die Benennung erfolgt hier also nach dem Einsatzgebiet. Für Bastelzwecke eignen sich diese Typen natürlich auch.

Über den Nennwiderstand definiert sich dann gemäß I = U/R die Stromaufnahme. Die Daten für den Lastkreis (maximale Spannung, maximaler Strom, maximale Schaltleistungen) genügen oft den Anforderungen. Und die Abmessungen heutiger Relais sind erstaunlich gering. Das sind in der Regel die zu beachtenden Parameter.
Interessant sind allerdings auch noch Haltespannung bzw. Haltestrom. Sie liegen 30 % bis 50 % unter den Ansteuer Nenngrößen. Gelingt es, kurz nach dem Schalten Spannung bzw. Strom an der Relaisspule auf den Haltewert zu bringen, kann man Ansteuerleistung sparen.
Mono- und bistabile Relais

Dazu ein Blick auf Bild 1. Im Einschaltmoment erhält das Relais über den Elko volle Spannung/vollen Strom. Ist R halb so groß wie der Spulenwiderstand, so reduziert sich der Strom nach Ladung des Eikos um 33 %. Es ist keine schlechte Idee, mit R noch eine LED zur Einschaltkontrolle in Reihe zu schalten, falls sinnvoll und möglich. Dann wird der Haltestrom noch besser ausgenutzt. Wesentlich ausgebuffter ist die in Bild 2 gezeigte Lösung. Hier bekommt z.B. ein 24-V-Relais lediglich zum Einschalten z.B. an einer 12-V-Quelle fast seine volle Nennspannung und läuft dann an etwa 11 V. Für die Spannungsüberhöhung sorgt die im Elko gespeicherte Ladung, beim Betätigen des Schalters entsteht ein Stromkreis aus Betriebsspannungsquelle, Schalter, D2, C (= Spannungsquelle), Relais und C-E-Strecke.
Interessant ist auch die Schaltung nach Bild 3. Benötigt wird ein Relais mit zwei Umschaltkontakten. Über einen oder beliebig viele parallele Taster (an verschiedenen Orten) kann es betätigt werden. Dabei dient eines der Kontaktpaare zu einer Art Rückkopplung. Im gezeichneten nicht aktiven Zustand ist C auf etwa 3,7 V geladen. Es genügt also eine Spannungsbelastung von 6,3 V für diesen Kondensator, er ist somit recht klein. Nach Drücken des Tasters fließt etwa 1 mA in die Basis des Transistors.
Das Relais zieht an, durch das Umschalten fließt nun Basisstrom direkt über R1 und R3 zu. Das Relais bleibt daher auch nach Loslassen des Tasters angezogen. C entlädt sich nun schnell über R2. Wird danach der Taster erneut gedrückt, muss der Strom durch R1 zunächst vollständig durch C fließen, sodass die Basis stromlos wird. Das Relais fällt ab.
Die Schaltung bietet drei Vorteile: sehr wenig Aufwand, definierter Zustand nach Anlegen der Betriebsspannung (Relais nicht aktiv) und Prellfreiheit.
Bistabile Relais sind natürlich in Sachen Ansteuerleistung unschlagbar, denn es genügt ein Impuls von 5...10 ms Länge. Allerdings muss dieser zum Rückschalten entgegengesetzt gepolt sein. Das erfordert meist eine recht aufwändige Ansteuerschaltung, es sei denn, man hat eine Wechselspannung zur Verfügung (Bild 4). Mit einer 50-Hz-Wechselspannung und somit 10 ms breiten Halbwellen könnte das Schalten auch ohne Glättungskondensator gelingen, Versuch macht klug! Der Kondensator ist ja etwas kritisch, weil er infolge der Beaufschlagung mit negativer und positiver Spannung ungepolt sein sollte. Wegen des „Polaritätsproblems" gibt es auch bistabile Ausführungen mit zwei Spulen, was die Sache erheblich vereinfacht (Bild 5).
Last not least: Die Freilaufdiode
Schaltet man eine Induktivität, durch die ein Gleichstrom geflossen ist, ab, entsteht schlagartig durch die Speicherwirkung eine im Vergleich zur zuvor angelegten Gleichspannung sehr hohe Abschaltspannung in umgekehrter Richtung. Diese wird an einem als Schalter eingesetzten Halbleiter wirksam und würde diesen höchstwahrscheinlich zerstören. Dies verhindert die bekannte Freilaufdiode direkt am Relais. Bewährt hat sich hier eine I N4006, aber auch Exemplare mit etwas kleinerer Endziffer (und somit kleinerer maximaler Sperrspannung) sollten den Job gut machen.
Bedeutung von Kurzbezeichnungen:

S = Single (einfach)
D = Double (zweifach)
P = Pole (Pol, polig)
T = Throw (wechselnd, umschaltend)
N = Normally (Ruhezustand)
C = Closed (geschlossen)
0 = Open (geöffnet)
B = Break (unterbrechen)
M= Make (anschalten)
 

Bild 1 - Einfachste Stromsparschaltung

Bild 2 - Qualifizierte Stromsparschaltung

Bild 3 - Einfache Relaisbetätigung von beliebig vielen Orten aus

Bild 5 - bistabile Relais mit zwei Spulen erlaubt die einfache Ansteuerung

 
         

7. Rechnen mit Relais
Rechnen mit Relais - geht das? Ja - das geht unter zwei Bedingungen: Wir arbeiten binär und die Relais müssen mit Wechselkontakten ausgestattet sein - dann geht das wirklich! Und wie, das zeigen wir hier. Konrad Zuses Z3 funktionierte komplett mit Relais.
2 Bit Addierlogik        

2 Bit Addition mit Relais

       

8. Verwandte Themen
Grundsätzlich sind Relais "Verstärker" - somit sind alle Bauelemente, welche Verstärkerwirkung zeigen, dem Relais verwandt. Das sind primär schon mal die Transistoren, welche immer eine Verstärkerwirkung haben, auch wenn diese, wie im Falle der Logik, überhaupt nicht genutzt wird.

Logikschaltungen mit Relais - die hohe Schule

Rechenmaschinenmodelle

Treiber

der Transistor

Relaisplatine des C-Control-Systems



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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost Januar 2006

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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