Elektromagnetische Relais

Allgemeine technische Angaben

Das schnelle Vordringen der elektronischen Bauteile, insbesondere der integrierten Schaltkreise im letzten Jahrzehnt, führte nicht – wie vielfach vorausgesagt – zu einem Rückgang der Nachfrage der Relais.
Vielmehr ging der Trend dahin, die Vorzüge der scheinbar konkurrierenden Bauteile, Relais und Halbleiter, in Schaltungen optimal zu vereinen.
Durch die Halbleitertechnik wurden in vielen Fällen Relais ersetzt, gleichzeitig ergaben sich mit dem Fortschreiten der Elektronik völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, die sich auf die Relaisentwicklung mit auswirkten.
Dies führt in erster Linie zu einer weiteren Miniaturisierung und zu Relais, deren Systeme gegen Umwelteinflüsse dicht abgeschlossen sind.
Mit Rücksicht auf Umwelteinflüsse besteht auch Bedarf an dichten Relais und Relais mit gasgeschützten Kontakten, die durch ihren Aufbau eine höhere Operationsgeschwindigkeit zulassen.

Vorzüge von Relais

Das Relais zeichnet sich durch eine Reihe von Eigenschaften aus, die die Voraussetzung für eine universelle Verwendung in allen Bereichen der Elektrotechnik bieten.
Die Vorzüge von Relais vollständig zu beschreiben, würde im Rahmen diese Seite zu weit führen, jedoch sollen die wesentlichsten erläutert werden:

• Galvanische Trennung
  Die galvanische Trennung besteht zwischen Eingangs- und Ausgangskreis (Spulen/Kontaktseite) und auf der Kontaktseite auch zwischen den verschiedenen Kontakteinheiten und den einzelnen Kontakten.
  Ein Maß für die sichere galvanische Trennung sind der Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit.
  Je nach Werkstoff und Klima sind Isolationswerte von etwa 10.⁷ bis 10.¹⁵ Ω (Ohm) erreichbar.
  Der Effektivwert der Durchschlagspannung liegt meist zwischen 500 und 4000 V.
   
• Einfache Anpassung an die Steuerquelle
  Durch Wahl einer geeigneten Wicklung und Relaistype können Relais an jede Betriebsspannung (Gleich- oder Wechselspannung) von wenigen Volt bis zu einigen hundert Volt angepasst zu werden.
  Da darüber hinaus die Betriebsspannungen – abhängig von Umgebungstemperatur und Betriebsart (Dauer- oder Impulsbetrieb) – in weiten Grenzen schwanken können, ohne dass das Relais dadurch in seiner Funktionsfähigkeit beeinträchtigt wird, und auch Brummspannungen infolge Welligkeit der Stromversorgung praktisch belanglos sind, ist das Anpassen der Relais an die vorhandene Stromversorgung um so leichter möglich.
   
• Hohe Überlastbarkeit von Eingang (Spulenseite) und Ausgang (Kontaktseite)
  Die in den Herstellerlisten angegebenen Daten für die Belastbarkeit der Spulen gelten in der Regel für den stationären Betrieb; kurzzeitig kann die Spule erheblich überlastet werden.
  Als Maß für die Überlastbarkeit ist in VDE  0435/9.62, § 5 der Nennkurzzeitstrom definiert.
  Es ist der Strom, den die Wicklung 1 s lang aushält, ohne durch zu starke Erwärmung Schaden zu leiden.
  Dieser kann um den Faktor 10 höher sein als der Nennstrom.
  Man muss unterscheiden zwischen der Überlastung bei geschlossenen Kontakten und der Überlastung beim Schalten.
  Bei geschlossenen Kontakten handelt es sich vorwiegend um ein thermisches Problem.
  Je kürzer die Überstrombelastung ist, desto höher die Belastbarkeit.
  Obwohl bei extrem hoher Belastung außer zu hohe Erwärmung auch Verschweißungen auftreten können, tritt das Problem der Verschweißung von Kontakten insbesondere beim Schließen der Kontakte unter hohen Stromspitzen auf, wie beim Einschalten von Lampen oder bei der Entladung eines Kondensators.
  Das Verschweißen der Kontakte ist ein statistisches Ereignis. Es lässt sich aber eine Belastungsgrenze angeben, unterhalb der mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit keine Verschweißung auftritt.
  Dies ist abhängig vom Kontaktwerkstoff, der Spannung am offenen Kontakt, der Prellneigung der Kontakte und der Zeitkonstante, mit der der Spitzenstrom abklingt.
   
• Schaltverhältnis der Relais
  Die beiden Arbeitsstellungen eines Relaiskontaktes zeichnen sich durch eindeutige Kriterien aus.
  Im offenen Zustand ist der Sperrwiderstand 10.⁷ bis 10.¹⁴ Ω und im geschlossenen Zustand 10 bis 100 mΩ; der Kontaktwiderstand des Relais liegt somit in der Größenordnung des Leistungswiderstandes der geätzten Bahnen (etwa 0,5 Ω/m).
  Beim Umschalten „kippt“ das Relais von einem Zustand in den anderen, auch wenn sich die Eingangsgröße stetig verändert; es gibt keine Zwischenwerte.
   
• Wirtschaftlichkeit
  Bei der Konzipierung von Schaltungen spielt neben den technischen und fertigungstechnischen Forderungen die Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle.
  Bei der Realisierung vieler Schaltfunktionen hat sich oft gezeigt, dass Relais die wirtschaftlichste Lösung darstellen.
  Bei den Gesamtkosten einer Schaltung ist nicht allein der Relaispreis ausschlaggebend; ein Netzteil kann unter Umständen mehr kosten, als die Schaltung, für die es benötigt wird.
  Bei Realisierung von Schaltungen zeigt sich oft, dass Relais wirtschaftliche Bauelemente sind.

Gliederung nach Funktionen

Für welche Art von Relais sich der Anwender entscheidet, hängt von der jeweiligen Anwendung, insbesondere von der Art der Ansteuerung und der Aufgabe, die das Relais zu erfüllen hat, ab.
Vom Relais her bieten sich viele Möglichkeiten an, wie aus einer Gliederung ähnlich nach DIN  41215 in der nachfolgenden Tabelle zu erkennen ist.

Elektromagnetische Relais

Erläuterungen zu den oben verwendeten Begriffen

Elektromagnetische Relais
Ein Elektromagnetisches Relais ist ein Bauteil, bei dem eine elektromagnetisch erzeugte Kraft unmittelbar oder über Zwischenglieder Relaiskontakte betätigt.
Es hat maximal drei Schaltstellungen und dient vorwiegend dazu, elektrische Informationen miteinander zu verknüpfen oder auszuwerten.

Monostabiles Relais
Relais, das nach dem Abschalten des Erregerstromes in die Ruhestellung zurückfällt.

Bistabiles Relais
Relais, das nach dem Abschalten des Erregerstromes in der zuletzt erreichten Schaltstellung verbleibt.

Neutrales Relais
Relais, bei dem der Übergang von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung von der Richtung des Erregerstromes unabhängig ist.

Monostabiles neutrales Relais
Monostabiles Relais, das unabhängig von der Richtung des Erregerstromes arbeitet.

Bistabiles neutrales Relais
Bistabiles Relais, bei dem der Übergang von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung von der Richtung des Erregerstromes unabhängig ist.
Anmerkung: Das Beibehalten der eingenommenen Schaltstellung kann durch mechanisches Mittel oder durch magnetische Effekte (Remanenz) bewirkt werden.

Gepoltes Relais
Relais, bei dem der Übergang von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung von der Richtung des Erregerstromes abhängig ist.
Anmerkung: Es gibt gepolte Relais, bei denen eine Übererregung nicht zum Verlassen der eingenommenen Schaltstellung führt, und solche, bei denen eine Übererregung dazu führt, dass eine andere Schaltstellung, z.B. die Ruhestellung, eingenommen wird.

Monostabiles gepoltes Relais
Monostabiles Relais, das bei einem Erregerstrom bestimmter Richtung die Arbeitsstellung einnimmt.

Bistabiles gepoltes Relais
Bistabiles Relais, das bei einem Erregerstrom bestimmter Richtung die eine und bei einem Erregerstrom entgegengesetzter Richtung die andere Schaltstellung einnimmt.

Gliederung nach konstruktiven Merkmalen

Nach konstruktiven Merkmalen unterscheidet man hauptsächlich vier Gattungen:
Staubgeschützte Relais sind mit einer meist durchsichtigen Kappe zum Schutz gegen Beschädigung und Eindringen von Staub in das Relaisinnere versehen.
Waschdichte Relais sind solche, deren Relaissystem mit einer Kunststoffkappe geschützt und mit Gießharz abgedichtet ist.
Relais mit gasgeschützten Kontakten sind solche, deren Kontakte in einem mit Schutzgas gefüllten Glasrohr eingesmolzen sind, oder in einer Metallgehäuse untergebracht sind.
Vakuumrelais sind prinzipiell ähnlich wie die Relais mit gasgeschützten Kontakten aber anstatt Schutzgas ist Vakuum.

Abschaltverhalten

Gebrauchskategorie nach EN 60947-4-1 und EN 60947-5-1 :

Elektronische Lastrelais (ELR)

Elektronische Lastrelais (ELR) sind Relais auf Halbleiterbasis mit galvanischer Trennung zwischen Steuerkreis und Schaltkreis.
Der Steuerkreis besteht aus einem optoelektronischen Koppelelement, welches die galvanische Trennung bewirkt.
Der Eingang ist TTL-kompatibel.
Im Schaltkreis übernimmt ein Triac bzw. zwei antiparallele Thyristoren die Lastschaltung.
Beim Anlegen der Steuerspannung wird der Triac bzw. die Thyristoren im Schaltkreis gezündet, d.h. Es handelt sich um einen Schließer.
Die Relais eignen sich zum Schalten von ohmschen und induktiven Lasten.
Ein eingebauter Nullpunktschalter bewirkt das Einschalten der Last bei Spannungsnulldurchgang.
Alle Ausführungen schalten im Stromnulldurchgang ab.
Sämtliche Elektronische Lastrelais sind im Ausgang mit einer RC-Kombination versehen.
Bei erhöhten Transienten (du/dt) ist ggf. ein zusätzliches RC-Glied, bei hohen Überspannungen in der Netzspannung ein Metalloxyd-Varistor parallel zum Ausgang zu schalten.

Die wichtigsten Merkmale der Elektronischen Lastrelais sind:

• Hohe Schaltzahlen und lange Lebensdauer.
• Einschalten im Spannungsnulldurchgang, Abschalten im Stromnulldurchgang.
• Prellfreies Schalten, da keine beweglichen Teile.
• Keine mechanischen Schaltgeräusche.
• Geringe Steuerleistung, TTL-kompatibel.
• Unempfindlich gegen Schüttel und Stoßbelastung.
• Durch Kunststoffummantelung abgeschlossen gegen Umwelteinflüsse.

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