Was ist ein Relais?
Ein Relais ist im Wesentlichen ein Schalter, der nicht mechanisch, sondern elektrisch betätigt wird. Obwohl es verschiedene Relaisausführungen gibt, sind KFZ Relais und solche in der Schifffahrt verwendeten die am häufigsten anzutreffenden elektromechanischen Relais.
Sie funktionieren durch Aktivierung eines Elektromagneten, der eine Reihe von Kontakten zum Schließen oder Unterbrechen eines Stromkreises anzieht. Diese werden weitgehend in elektrischen Fahrzeugsystemen eingesetzt.
Warum sollte man ein Relais verwenden?
Neben der Verwendung von KFZ Relais in Fahrzeugen gibt es verschiedene Gründe, warum man ein Relais verwenden möchte oder muss:
- Schalten eines Hochstromkreises unter Verwendung eines Niederstromkreises
Dies ist der häufigste Grund und nützlich, wenn ein Inline-Schalter oder der vorhandene Stromkreis nicht die Kapazität hat, den erforderlichen Strom zu bewältigen. Zum Beispiel, wenn man einige Hochleistungs-Arbeitsscheinwerfer einbauen will, die mit den Scheinwerfern eingeschaltet werden, aber das Risiko besteht, dass sie die Kapazität des vorhandenen Kabelbaums übersteigen. - Einsparung von Kosten
Verdrahtung und Schalter mit hoher Strombelastbarkeit kosten mehr als Versionen mit niedriger Strombelastbarkeit, so dass durch den Einsatz von Relais der Bedarf an den teureren Komponenten minimiert wird. - Aktivierung von mehr als einem Stromkreis über einen einzigen Eingang
Mit einem einzigen Eingang von einem Teil einer elektrischen Anlage (z. B. Ausgang der Zentralverriegelung, manueller Schalter usw.) kann man ein oder mehrere Relais aktivieren, die dann einen oder mehrere andere Schaltkreise abschließen und so mehrere Funktionen mit einem Eingangssignal ausführen. - Ausführen logischer Funktionen
Elektromagnetische Relais können für einige recht raffinierte (und komplexe) Anwendungen eingesetzt werden, wenn sie miteinander verbunden werden, um logische Operationen auf der Grundlage bestimmter Eingänge durchzuführen (z.B. Sperren eines +12V-Ausgangs an und aus einem momentanen Eingang, abwechselndes Blinken der linken und rechten Beleuchtung usw.).
Obwohl diese logischen Funktionen inzwischen durch elektronische Module für OEM-Designs ersetzt worden sind, kann es immer noch nützlich, unterhaltsam und oft kostengünstiger sein, Relais zu verwenden, um sie für einige Nachmarkt-Projekte durchzuführen (insbesondere wenn Sie eine maßgeschneiderte Anwendung haben).
Hinweis: In diesem Artikel werden wir uns auf ISO-Mini- oder “Standard”-KFZ Relais konzentrieren, die einen 1″-Würfelkörper haben und am häufigsten in elektrischen Fahrzeugsystemen verwendet werden.
Aufbau und Funktion von Relais
Eine Kupferspule um einen Eisenkern (den Elektromagneten) wird in einem Rahmen oder “Joch” gehalten, an dem ein Anker angelenkt ist. Ein Ende des Ankers ist mit einer Zugfeder verbunden, die das andere Ende des Ankers nach oben zieht. Dies ist das Relais im stromlosen Zustand oder “im Ruhezustand” ohne angelegte Spannung.
Das geflochtene Verbindungsband sorgt für eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Anker und dem Joch, anstatt sich allein auf den Kontakt zwischen dem Ankerdrehpunkt zu verlassen. Die Spule und der Kontakt (oder die Kontakte) werden dann an verschiedene Anschlüsse an der Außenseite des Relaiskörpers angeschlossen.
Wie Relais funktionieren
Wenn die Spule mit Spannung versorgt wird, wird um sie herum ein Magnetfeld erzeugt, das den Klappanker auf den Kontakt herunterzieht. Dadurch wird der “Hochstromkreis” zwischen den Kontakten geschlossen und das Relais wird als erregt bezeichnet. Wenn die Spannung von der Spulenanschlussklemme entfernt wird, zieht die Feder den Anker zurück in seine “Ruhe”-Position und unterbricht den Stromkreis zwischen den Kontakten. Durch Anlegen oder Wegnehmen der Spannung an die Spule (der Schwachstromkreis) schalten wir also den Hochstromkreis ein oder aus.
Hinweis: Es ist wichtig zu verstehen, dass der Spulenkreis und der stromführende (oder geschaltete) Kreis innerhalb des KFZ Relais elektrisch voneinander isoliert sind. Der Spulenkreis schaltet einfach den Hochstromkreis ein.
Der folgende vereinfachte Relais Schaltplan wird oft verwendet, um die Funktionsweise eines Relais leicht zu verstehen:
KFZ Relais Terminologie
Das ISO-Mini-Relais, das wir oben betrachtet haben, hat 4 Stifte (oder Anschlüsse) am Gehäuse und wird als “Make & Break”-Relais bezeichnet, weil es einen Hochstromkreis und einen Kontakt gibt, der entweder offen oder geschlossen ist, je nachdem, ob das Relais in Ruhe oder erregt ist. Wenn der Kontakt bei stillstehendem Relais unterbrochen ist, wird das Relais als Schließer (NO) bezeichnet, und wenn der Kontakt bei stillstehendem Relais geschlossen ist, wird das Relais als Öffner (NC) bezeichnet. Normalerweise geöffnete Relais sind der gebräuchlichere Typ.
ISO-Mini-Relais mit zwei Stromkreisen, von denen einer geschlossen ist, wenn das KFZ Relais in Ruhestellung ist, und der andere, der geschlossen ist, wenn das Relais erregt ist, haben 5 Stifte am Gehäuse und werden als Wechslerrelais bezeichnet. Diese haben zwei Kontakte, die mit einem gemeinsamen Anschluss verbunden sind.
Schließer- und Öffnerrelais werden auch als einpoliger Einfach-Weiterschalter (SPST) und Wechslerrelais als einpoliger Doppel-Weiterschalter (SPDT) bezeichnet. Dies basiert auf der Standard-Schalter-Terminologie. Es gibt andere Kontaktkonfigurationen, die unten besprochen werden, aber Schließer-, Öffner- und Umschaltrelais sind die am häufigsten verwendeten.
Konvention zur Nummerierung von Anschlüssen
Die Anschlussnummerierungen auf einem Relaiskörper sind der DIN 72552 entnommen, einer weit verbreiteten Norm der deutschen Automobilindustrie, die verschiedenen Arten von elektrischen Anschlüssen in Fahrzeugen einen numerischen Code zuweist. Die Anschlussklemmen an der Außenseite eines 4- oder 5-poligen Mini-Relais sind mit Nummern wie unten dargestellt gekennzeichnet:
|
Terminal/Pin Nummer |
Anschluss |
| 85 | Spule |
| 86 | Spule |
| 87 | Normal Offen (NO) |
| 87a | Normal Geschlossen (NC) – bei 4-Pin Relais nicht vorhanden |
| 30 | Gemeinsamer Anschluss an NO & NC Terminals |
Nach DIN 72552 sollte die Spule an Klemme 86 mit +12V gespeist und über Klemme 85 geerdet werden, in der Praxis spielt es jedoch keine Rolle, in welcher Richtung sie verdrahtet sind, es sei denn, man verwendet ein Relais mit einer integrierten Diode (siehe weitere Informationen zu Dioden weiter unten).
Tipp: Anstelle eines Schließer- und Öffnerrelais kann ein Umschaltrelais verwendet werden, indem man einfach entweder den Schließer- oder den Öffneranschluss abgeklemmt lässt (je nachdem, ob der Stromkreis beim Einschalten des Relais geschlossen oder unterbrochen werden soll).
Anschluss Layouts
Die ISO-Mini-Relais für die Automobilindustrie, die wir oben betrachtet haben, sind typischerweise in zwei Arten von Pin-Layouts erhältlich, die als Typ-A- und Typ-B-Layouts bezeichnet werden. Diese Layouts sind auf den beiden 5-Pin-Relais unten abgebildet (Pin 87a bei 4-Pin-Relais nicht vorhanden):
Auf dem Layout vom Typ B werden die Pins 86 und 30 gegenüber dem Layout vom Typ A vertauscht sein. Das Layout vom Typ B ist wohl einfacher zu handhaben, da die angeschlossenen Klemmen in Reihe geschaltet sind, wodurch die Verdrahtung einfacher zu visualisieren ist. Wenn man ein KFZ Relais austauschen muss, sollte man unbedingt ein KFZ Relais mit dem gleichen Anschlusslayout verwenden, da es leicht falsch angeschlossen werden kann, wenn man sich des Unterschieds nicht bewusst ist.
Anschlussgrößen von Relais
Die bei 4- und 5-poligen Relais verwendeten Anschlussbreiten sind fast immer 6,3 mm breit, einige Spezialrelais können jedoch Anschlussbreiten von 2,8 mm, 4,8 mm und 9,5 mm haben. Die 9,5 mm breiten Anschlüsse werden in der Regel für Anwendungen mit höherer Leistung verwendet (z.B. für die Magnetaktivierung von Anlassermotoren), während die kleineren Anschlüsse eher für die elektronische Signalisierung verwendet werden, wo nur sehr geringe Ströme erforderlich sind. Alle Breiten sind mit den Standard-Buchsen-Crimpkontakten der entsprechenden Größen kompatibel.
Relais Gehäusemarkierungen
KFZ Relais können von außen sehr ähnlich aussehen, so dass sie in der Regel mit dem Schaltplan, der Nennspannung, dem Nennstrom und den Anschlussnummern auf dem Gehäuse gekennzeichnet sind, um sie zu identifizieren.
- Relais Schaltplan – Dies zeigt die grundlegenden internen Schaltungen (einschließlich aller Dioden, Widerstände usw.) und das Klemmenlayout zur Unterstützung der Verdrahtung.
- Nennspannung – Die Betriebsspannung der Spule und Hochstromkreise. Typischerweise 12V für Personenkraftwagen und kleine Wasserfahrzeuge, aber auch in 6V für ältere Fahrzeuge und 24V für kommerzielle Anwendungen (Auto und Marine) erhältlich.
- Nennstrom – Dies ist die Strombelastbarkeit des/der Hochstromkreis(e) und liegt normalerweise zwischen 25A und 40A, wird aber manchmal bei Wechslerrelais z.B. 30/40A als doppelte Nennleistung angegeben. Bei zwei Nennwerten ist der Öffnerkreis der niedrigere der beiden Stromkreise, also 30A/40A, NC/NO für das angegebene Beispiel. Die Stromaufnahme der Spule ist normalerweise nicht angegeben, beträgt aber typischerweise 150-200 mA mit einem entsprechenden Spulenwiderstand von etwa 80-60 W.
Tipp: Die Kenntnis des Spulenwiderstands ist nützlich, wenn das Relais mit einem Multimeter auf einen Fehler geprüft wird. Ein sehr hoher Widerstand oder ein offener Stromkreis kann auf eine beschädigte Spule hinweisen. - Anschlussnummerierung – Die Nummern 85, 86, 30, 87 & 87a (oder andere Nummern für verschiedene Relaiskonfigurationen) werden normalerweise neben jedem Stift in den Kunststoff eingegossen und auch auf dem Relais Schaltplan dargestellt.
| Relais-Typ | Schematische Abbildung | Beschreibung |
|---|---|---|
| Schließer- und Öffner-Relais |  |
Die einfachste Form des Relais. Der Stromkreis zwischen den Anschlüssen 30 und 87 wird bei Einschalten des KFZ Relais geschlossen und bei Ausschalten unterbrochen, was als NO bezeichnet wird (oder umgekehrt für ein NC-Relais). |
| Umschaltrelais |  |
Zwei Stromkreise ( Anschlüsse 87 und 87a ) haben einen gemeinsamen Anschluss (30). Wenn das Relais in Ruhestellung ist, ist 87a mit 30 verbunden, und wenn das KFZ Relais angezogen ist, wird 87 mit 30 verbunden (aber niemals beide gleichzeitig). |
| Relais mit doppeltem Ausgang |  |
Anschluss 87 ist mit Anschluss Nr. 87b verbunden, wodurch doppelte Ausgänge des einzelnen Schließers entstehen. |
| Relais mit zwei Kontakten |  |
Der Anker verbindet die Anschlüsse 87 und (in diesem Fall) 87b gleichzeitig, wenn die Spule unter Strom gesetzt wird, wodurch ein doppelter Schließerausgang entsteht. |
| Relais mit integrierter Sicherung |  |
Eine Flach- oder Keramiksicherung ist zwischen Anschluss 30 und dem Schließer angeschlossen und bietet einen integrierten Schutz für den Hochstromkreis. Die Sicherung ist normalerweise in einem Halter montiert, der als Teil des Relaiskörpers gegossen ist, so dass sie im Falle eines Durchschlags ausgetauscht werden kann. |
| Relais mit Diode an der Spule |  |
Wenn die Spannung von den Anschlüssen 85/86 entfernt und die Spule stromlos gemacht wird, bricht das Magnetfeld, das um die Spule herum entstanden ist, schnell zusammen. Dieser Zusammenbruch verursacht eine Spannung an der Spule in entgegengesetzter Richtung zu der Spannung, die sie erzeugt hat (+12V), und da der Zusammenbruch so schnell erfolgt, können die erzeugten Spannungen in der Größenordnung von mehreren hundert Volt liegen (obwohl der Strom sehr gering ist). Diese hohen Spannungen können empfindliche elektronische Geräte vor der Versorgungsseite der +12V-Spule beschädigen, wie z.B. Steuermodule in Alarmsystemen, und da es üblich ist, Alarm-Ausgangssignale mit niedrigem Strom zu nehmen, um Relaisspulen zu aktivieren, ist eine Beschädigung der Geräte ein echtes Risiko. Die Verwendung eines Relais mit einer Diode über der Spule kann diesen Schaden verhindern, indem die hohen Spannungsspitzen absorbiert und innerhalb des Spulen-/Diodenschaltkreises abgeleitet werden (dies wird als Sperr- oder Löschdiode bezeichnet). Die Diode wird immer so in das Relais eingebaut, dass der Streifen auf dem Diodenkörper in Richtung Anschluss 86 (in Sperrrichtung vorgespannt) zeigt, und es ist wichtig, dass dieser Anschluss mit +12V verbunden ist (wobei 85 mit Masse verbunden ist), da sonst die Diode beschädigt werden könnte. |
| Relais mit Widerstand an der Spule |  |
Ein hochohmiger Widerstand erfüllt eine ähnliche Funktion wie die Diode in der vorherigen Konfiguration, indem er die hohen Spannungsspitzen absorbiert, die durch das kollabierte Magnetfeld beim Abschalten der Spule entstehen. Der Nachteil eines Widerstandes besteht darin, dass er im normalen Betrieb des Relais (im Gegensatz zu einer Diode) einen kleinen Strom fließen lässt und bei der Unterdrückung von Spannungsspitzen nicht ganz so wirksam ist wie eine Diode, aber er ist weniger anfällig für versehentliche Beschädigungen, da Widerstände unempfindlich gegen Polarität sind (d.h. es spielt keine Rolle, ob +12V an Anschluss 85 oder 86 angeschlossen ist). |
Mikro Relais
ISO-Mikro-Relais sind, wie der Name schon sagt, kleiner als ISO-Mini-Relais und für den Einsatz in Anwendungen konzipiert, bei denen der Platz knapp ist. Sie haben einen rechteckigen Querschnitt und sind schmaler als ein Mini-Relais mit einem etwas anderen Pin-Layout und sind typischerweise als Schließer- und Öffner und Umschalt-Relais mit und ohne Unterdrückungsdioden erhältlich.
Darüber hinaus ist die Anschlussnummerierung anders, mit 1, 2, 3, 4 & 5 anstelle von 30, 85, 86, 87 & 87a.
| Anschluss-Nr. und Größe | Anschluss |
|---|---|
| 1 – 4.8mm | Spule |
| 2 – 4.8mm | Spule |
| 3 – 6.3mm | Gemeinsamer Anschluss an NO & NC |
| 4 – 4.8mm | Normal Geschlossen (NC) – nicht vorhanden bei 4-poligen Relais |
| 5 – 6.3mm | Normal Offen (NO) |
Komplexe Relais-Typen
Es gibt andere Relaisausführungen, die für einige komplexere Anwendungen in Fahrzeugsystemen verwendet werden. Sie basieren immer noch auf dem Prinzip, höhere Stromkreise mit kleineren Stromkreisen zu schalten, kombinieren dies aber oft mit Elektronik, um spezielle Funktionen zu erfüllen.
Einige Beispiele für spezielle KFZ Relais sind:
- Glühkerzenrelais – versorgen die Glühkerzen in einem Dieselmotor für eine festgelegte Zeitspanne mit Strom, indem sie das Relais über eine Zündschalterstellung oder einen anderen Eingang erregen.
- Kraftstoffeinspritzrelais – versorgen die elektrisch aktivierten Kraftstoffeinspritzdüsen in einem Benzinmotor für eine unterschiedliche Zeitdauer mit Strom, basierend auf Signalen von der Motorsteuerungseinheit (ECU) des Fahrzeugs.
- Zeitrelais – z.B. in einem Stromkreis für eine beheizte Heckscheibe, wobei das Relais vor dem Ausschalten einige Minuten lang mit Strom versorgt werden muss.
- Blinkrelais/-einheiten – werden für den Betrieb von Blinkern und Warnblinkern verwendet und verwenden statt eines herkömmlichen Bimetallstreifens Elektronik zur Steuerung des Zeitpunkts des Kontaktöffnens und -schließens.
Diese komplexeren KFZ Relais können bis zu 9 Anschlüsse in verschiedenen Größen haben. Diese Erhöhung der Anzahl der Anschlüsse gegenüber den standardmäßigen 4 oder 5 bei einfacheren Relais ist oft notwendig, weil zusätzliche Anschlüsse für die eingebaute Elektronik erforderlich sein können (z.B. Eingänge von Sensoren oder dem Steuergerät und Ausgänge zu Kontrollleuchten oder dem Steuergerät).