Funktionsweise von Relais – Grundlagen, Typen und Anwendungen

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Wie funktionieren Relais?

Was sind Relais?

Industrie RelaisRelais sind elektromechanische Schalter, welche zur Steuerung verschiedener Stromkreise mit Hilfe von Kleinleistungssignalen oder einem Signal verwendet werden. Sie finden sich in allen möglichen Geräten. Mit Hilfe von Relais kann ein Schaltkreis einen zweiten Schaltkreis schalten, der vom ersten völlig getrennt sein kann. Im Inneren des Relais gibt es keine elektrische Verbindung zwischen den beiden Kreisen. Die Verbindung ist nur magnetisch und mechanisch.

Grundsätzlich besteht ein Relais aus einem Elektromagneten, einem Anker, einer Feder und einer Reihe von elektrischen Kontakten. Die Elektromagnetspule wird über einen Schalter oder einen Relaistreiber mit Strom versorgt und bewirkt, dass der Anker so angeschlossen wird, dass die Last die Stromversorgung erhält. Die Bewegung des Ankers erfolgt über eine Feder. Somit besteht das Relais aus zwei getrennten Stromkreisen, die nur durch magnetische Verbindung miteinander verbunden sind und das Relais wird durch die Steuerung des Schaltens des Elektromagneten gesteuert.

Der durch die Spule des Relais fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, das einen Hebel anzieht und die Schaltkontakte verändert. Der Schleifen- oder Spulenstrom kann ein- oder ausgeschaltet sein, so dass die Relais zwei Schaltstellungen haben und im Allgemeinen mit Doppelumschaltkontakten ausgestattet sind. Relais sind normalerweise SPDT oder DPDT, können jedoch zahlreiche Sätze von Schaltkontakten haben.

Die Kontakte sind normalerweise gemeinsam (COM), normal offen (NO) und normal geschlossen (NC). Der Öffner wird mit dem gemeinsamen Kontakt verbunden, wenn keine Spannung an die Spule angelegt wird. Der Schließerkontakt ist offen, wenn die Spule nicht mit Strom versorgt wird. Wenn die Spule unter Spannung steht, wird der gemeinsame Kontakt an den Schließer angeschlossen und der Öffner bleibt potentialfrei. Die zweipoligen Versionen sind die gleichen wie die einpolige Version, außer dass es zwei Schalter gibt, die zusammen öffnen und schließen.

Anwendungen für Relais

  • Steuerung eines Hochspannungskreises mit einem Niederspannungssignal, wie in einigen Typen von Modems oder Audioverstärkern
  • Steuerung eines Hochstromkreises mit einem Schwachstromsignal, wie im Starter eines Kraftfahrzeuges
  • Erkennen und Isolieren von Fehlern auf Übertragungs- und Verteilungsleitungen durch Öffnen und Schließen von Leistungsschaltern
  • Zeitverzögerungsfunktionen. Die Relais können so modifiziert werden, dass sie das Öffnen oder das Schließen einer Gruppe von Kontakten verzögern. Eine sehr kurze Verzögerung würde eine Kupferscheibe zwischen dem Anker und der beweglichen Klinge verwenden.

Der in der Scheibe fließende Strom hält das Magnetfeld für kurze Zeit aufrecht. Für eine etwas längere Verzögerung wird ein Dashpot verwendet. Ein Dashpot ist ein mit Flüssigkeit gefüllter Kolben, der langsam austreten kann. Die Zeitdauer kann durch Erhöhen oder Verringern der Durchflussmenge variiert werden. Für längere Zeiträume wird eine mechanische Zeitschaltuhr installiert.

Funktionsweise eines Relais mit 3 Spulen

Von der Schaltung, Relais-1 und Relais-2, deren Kontakte mit Relais-3-Spulen in Reihe geschaltet sind, an die erste Gleichstromversorgung. Relais-3 schaltet nur dann ein, wenn Relais 1 und 2 eingeschaltet sind, d.h. die Versorgung an R, Y und B vorhanden ist. Die Ausgangskontakte von Relais-3 werden an Relais-4 Q1, Öffnerkontakte, die beide 3-Co-Relais sind, gespeist.

Somit erreicht das R, Y, B, das dem Relais 3 zugeführt wird, die Schließerkontakte von Relais 4. Alle Schließerkontakte von Relais 4 sind sternförmig mit der Motoranschlussspule U1-U2, V1-V2, W1-W2 verbunden. Während Relais 4 vom Timer-IC eingeschaltet wird und nach dem zeitverzögerten Einschalten der Haupteinspeisung, bringen die Kontakte von Relais 4 die Motoranschlüsse durch die ordnungsgemäß verdrahteten Öffnerkontakte in den Dreiecksmodus.

Einphasig, d.h. eine oder zwei fehlende Phasen Y und B bringen entweder Relais-1 oder Relais-2 in den Aus-Zustand, was dazu führt, dass Relais-3 ausgeschaltet wird. Somit verhindert das Ausschalten von Relais-3, dass der Eingang 3-Phasen die Motorversorgung erreicht, um diese für die Einphasenschaltung zu schützen.

 

555 Timer ICs in einer Schaltung mit zwei Relais.

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Funktionsweise des Relais mit 2 Spulen

Relais mit Verriegelungskonstruktion bestehend aus 2 Spulen: Setzspule und Rückstellspule. Das Relais wird durch abwechselndes Anlegen von Impulssignalen gleicher Polarität gesetzt oder zurückgesetzt.

Von der Schaltung wird ein Relais verwendet, das von einem Transistor ab Port Pin Nummer 10 angesteuert wird. Die Kontakte des Relais sind mit einem Festnetztelefonanschluss verbunden. Dessen Ausgang wird den Telefonleitungen nur dann überlagert, wenn das Relais1 eingeschaltet ist. Das Relais arbeitet (mit einer LED-Anzeige L2) von Pin Nummer 10 bis zum Transistor Q2, bevor die Wähldaten von der MC zum Encoder gelangen. Der Wahlvorgang wird solange fortgesetzt, bis der gewählte Teilnehmer den Hörer abhebt oder das Relais nach 3 Minuten automatisch abschaltet, um den Zeiger in den virtuellen Zustand „Aufgelegt“ zu zwingen.

Ein zwei Spulen Relais steuert einen Stromkreis.

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Funktionsweise des Relais mit 1 Spule

Relais mit selbsthaltender Konstruktion, das mit einem Impulseingang ein- oder ausgeschaltet bleiben kann. Bei einer Spule wird das Relais durch Anlegen von Signalen mit entgegengesetzter Polarität gesetzt oder zurückgesetzt. Hier sehen wir ein Relais mit 1 Spule unter Verwendung von ULN2003.

ULN2003 ist ein IC, welcher als Schnittstelle zwischen dem Relais und dem Mikrocontroller verwendet wird, da der Ausgang des Mikrocontrollers maximal 5V mit zu geringer Stromlieferung beträgt und es nicht praktikabel ist, ein Relais mit dieser Spannung zu betreiben. ULN2003 ist ein Relais-Treiber-IC, der aus einem Satz Darlington-Transistoren besteht. Wird dem IC als Eingang ein logisches High gegeben, dann ist sein Ausgang logisch Low, aber nicht umgekehrt. Hier in ULN2003 sind die Pins 1 bis 7 IC-Eingänge und 10 bis 16 IC-Ausgänge.

Wird dem Pin 1 eine logische 1 gegeben, so wird der entsprechende Pin 16 auf Low gesetzt. Wenn eine Relaisspule von positiv auf den Ausgangspin des ICs geschaltet wird, dann wechseln die Relaiskontakte ihre Position von Schließer (NO) zu Öffner (NC), dann leuchtet das Licht. Wird am Eingang eine logische 0 gegeben, so schaltet das Relais ab. Ebenso können bis zu sieben Relais für sieben verschiedene Lasten verwendet werden, die über den Schließer (NO) eingeschaltet oder über den Öffner (NC) ausgeschaltet werden können, wobei wir aber nur ein Relais für den Betrieb verwendet haben.

Relais mit ein- und ausgeschalteter Last.

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2 Wege zur Steuerung der Relais

Verwendung einer Zeitschaltuhr

Eine der einfachsten Möglichkeiten ist die Verwendung einer Zeitschaltuhr zur Steuerung des Schaltens des Relais. Hier wird eine einfache Schaltung entwickelt, die eine Last ein- und ausschalten kann, wenn die eingestellte Zeit eintrifft. Sie kann zum Einschalten von AC-Lasten wie TV, Radio, Musikanlage etc. verwendet werden. Sein Auslöseimpuls wird von einer Uhr gewonnen. Die Weckzeit der Uhr wird so eingestellt, dass der Schalter manuell ein- und ausgeschaltet werden kann. Die Grundidee besteht darin, das Schalten des Relais zu steuern, indem die Auslösung von SCR über den Optokoppler gesteuert wird, der wiederum durch den Wecker ausgelöst wird.

Komponenten, die in der Schaltung verwendet werden:

  • eine preiswerten Tischuhr
  • Ein Optokoppler-IC MCT2E
  • Ein SCR zur Auslösung des Relais
  • Eine über das Relais geschaltete Diode
  • Eine 9V-Batterie und ein Kondensator
  • Ein Widerstand

Funktionsweise des Systems

Der Taktausgang wird über einen Optokoppler-IC MCT2E an die Schaltung gegeben. Der Alarmsummer bekommt etwa 3 Volt, wenn der Alarm klingelt. Mit dieser Spannung wird der Optokoppler ausgelöst. Der Optokoppler hat eine LED und einen Fototransistor im Inneren. Wenn die LED im Inneren des Optokopplers durch eine externe Spannung aufleuchtet, leitet der Fototransistor.

Wenn der Fototransistor leitend ist, zündet und verriegelt der SCR BT169. Dadurch wird das Relais betätigt und die Last wird ein- und ausgeschaltet. Wird die Last über den gemeinsamen und den Schließerkontakt angeschlossen, schaltet die Last ein. Wird die Last über den gemeinsamen und den Öffner-Kontakt angeschlossen, schaltet die Last ab.

Relais-Steuerung mit einem Wecker.

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Der SCR beginnt zu leiten, wenn ein Triggerimpuls an den Gate-Anschluss angelegt wird. Der SCR setzt die Leitung fort, auch wenn der Gate-Impuls entfernt wird. Er kann nur durch Entfernen des Anodenstroms abgeschaltet werden. Daher wird ein Push to off-Schalter S1 verwendet, um den SCR zurückzusetzen. Der Kondensator C1 hat eine Pufferung am Gate des SCR für seine reibungslose Funktion. Die Diode IN4007 schützt den SCR vor Rückwirkung der EMK.

Die verwendete Tischuhr ist die preiswerte Variante. Öffne seine Rückwand und löten zwei dünne Drähte an die Buzzeranschlüsse und verbinde diese unter Beachtung der Polarität mit den Pins 1 und 2 des Optokopplers. Die Schaltung mit dem Netzteil in ein Gehäuse einkleben und die Uhr darüber mit Kleber befestigen. Zum Anschluss der Last kann eine AC-Buchse auf dem Gehäuse befestigt werden.

Verwendung des Relaistreibers IC ULN 2003

Ein Relais kann auch mit einem Relaistreiber-IC ULN2003 gesteuert werden, der an einen Mikrocontroller angeschlossen ist und das Relais auf der Grundlage der Signale des Mikrocontrollers steuert. Es ist ein Hochspannungs-IC, der aus 7 Darlington-Transistorpaaren besteht. Es ist im Prinzip ein 16-Pin-IC. Er besteht aus 7 Eingangspins und 7 entsprechenden Ausgangspins.

Funktionsweise des Systems

Der Relaistreiber kann bis zu 7 Relais ansteuern, wobei jedes Relais an jeden der 7 Ausgänge angeschlossen werden kann. Die Eingangspins des Relais sind mit den I/O-Pins des Mikrocontrollers verbunden. Hier wird nur ein Relais zu Demonstrationszwecken gezeigt. Sowohl das Relais als auch der Relaistreiber benötigen eine Spannungsversorgung von 12 V an Pin 9.

Der Betrieb ist ähnlich wie bei einem Inverter, bei dem ein logischer Low-Eingang zu einem logischen High-Ausgang führt. Die Last wird an den Schließerkontakt angeschlossen. Wenn eine logische Null an einen der Eingangspins des Relaistreibers angelegt wird, entsteht ein logischer High-Ausgang über den entsprechenden Ausgangspin.

Da das Relais an beiden Endpunkten an nahezu die gleiche Spannung angeschlossen ist, fließt kein Strom und das Relais ist nicht erregt. Im Falle einer High-Logik am Eingangspin erhält der Ausgangspin ein Low-Logiksignal und aufgrund einer Potentialdifferenz fließt ein Strom und die Relaisspule wird so erregt, dass der Anker von der normalerweise geschlossenen Position in die offene Position bewegt wird, wodurch der Stromkreis geschlossen wird und die Lampe leuchtet.

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Carsten Hack ist begeisterter Hobby-Bastler auf vielen Gebieten und Autor von e-hack.de. Seine Erfahrung und Expertise schreibt er in informativen Beschreibungen verschiedener elektrischer Bauteile nieder und gibt Tipps zu allen Fragen der Beleuchtung und LED-Leuchtmitteln.

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