Relais

Ein Relais [ʁəˈlɛː] (Pl.: Relais [ʁəˈlɛːs]) ist ein durch elektrischen Strom betriebener, meist elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten.

Verschiedene Relais

Funktionsprinzip

Funktionsprinzip eines Relais

Ein mechanisches Relais arbeitet meist nach dem Prinzip des Elektromagneten. Ein Strom in der Erregerspule erzeugt einen magnetischen Fluss durch den ferromagnetischen Kern und einen daran befindlichen, beweglich gelagerten, ebenfalls ferromagnetischen Anker. An einem Luftspalt kommt es zur Krafteinwirkung auf den Anker, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte schaltet. Der Anker wird durch Federkraft in die Ausgangslage zurückversetzt, sobald die Spule nicht mehr erregt ist.

Schematischer Aufbau

Als Beispiel ist hier ein Klappanker-Relais mit einem Schließer abgebildet. Das linke Bild zeigt das Relais in Ruhestellung; die Spule ist spannungslos, der Arbeitskontakt geöffnet. Auf dem rechten Bild liegt an der Spule eine Spannung an, wodurch der Anker vom Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird.

Begriffe

Schaltsymbol eines Relais mit Wechselkontakt

Ein Kontakt wird als Schließer oder Arbeitskontakt bezeichnet, wenn er bei abgefallenem Anker bzw. stromloser Erregerspule offen und bei angezogenem Anker bzw. stromdurchflossener Spule geschlossen ist. Als Ruhekontakt oder Öffner wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er in angezogenem Zustand des Relais den Stromkreis unterbricht. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler oder Umschaltekontakt bezeichnet. Ein Relais kann einen oder mehrere solcher Kontakte haben.

Ein Relais heißt „Ruhestromrelais“, wenn es im Ruhezustand vom Strom durchflossen und angezogen ist, beispielsweise zur Überwachung von Netzausfall oder Drahtbruch. Im anderen und überwiegenden Fall, bei dem es im Ruhezustand stromlos ist, wird es als „Arbeitsstromrelais“ bezeichnet.

Im Schaltplan werden Relais grundsätzlich im abgefallenen Zustand gezeichnet, auch wenn sie als Ruhestromrelais arbeiten.

Verwendung

Relais sind elektromechanische Bauelemente. Sie werden hauptsächlich für die folgenden Anwendungsfälle eingesetzt:

• zum gleichzeitigen und potentialgetrennten Schalten mehrerer Laststromkreise mit nur einem Steuerstromkreis
• zum Schalten von hohen elektrischen Leistungen mit niedriger Leistung (Schaltverstärker)
• um eine galvanische Trennung zwischen steuerndem und zu schaltendem Stromkreis zu erreichen
• um geringe Schaltübergangswiderstände im geschlossenen Zustand des Kontaktes bei gleichzeitig sehr großem Kontaktübergangswiderstand im geöffneten Zustand zu erreichen

Vor- und Nachteile

Relais sind in vielen Anwendungsfällen von Halbleiterschaltern (Transistoren) abgelöst worden. Sie besitzen gegenüber diesen einige Nach-, aber auch Vorteile, unter anderen:

Vorteile

• hohe Einschaltleistung bzw. hohe Überlastbarkeit
• geringer Kontaktübergangswiderstand im Milliohmbereich bei gleichzeitig geringer Kapazität der Schaltstrecke
• hoher Isolationswiderstand und hohe Sperrspannung der Schaltstrecke
• Relais benötigen keine Kühlung
• Relais können je nach Kontaktwerkstoff und Kurzschlussstrom auch Kurzschlüsse schalten, ohne ihre Funktion zu verlieren
• Relais können geringste Signale bis hohe Hochfrequenz-Leistungen schalten und zeigen dabei wenig Neigung zum Übersprechen
• Störfestigkeit durch ausgeprägtes Hystereseverhalten und Robustheit der Spule, sie nimmt Überspannung einige Male unbeschadet hin (EMV und ESD)
• Unabhängigkeit des Schaltvermögens von der Stromart (abgesehen von bipolaren Halbleiterrelais oder Analogschaltern)
• Schaltzustand ist oft mit bloßem Auge erkennbar

Nachteile

• hohe Ansprech- und Abfallzeit (Millisekunden gegenüber Mikro- und Nanosekunden bei Halbleitern, das heißt drei bis sechs Zehnerpotenzen)
• Erschütterungs- und Stoßempfindlichkeit
• prinzipieller Verschleiß (elektrisch und mechanisch), das heißt, es muss immer die maximal erreichbare Schaltanzahl der Lebensdauer der Baugruppe gegenübergestellt werden
• je nach Kontaktwerkstoff kann sich der Kontaktübergangswiderstand mit der Lebensdauer abhängig von der geschalteten Last ändern
• Geräuschentwicklung beim Schalten
• Abhängigkeit des Isolationsvermögens vom Luftdruck beziehungsweise von der Höhe über dem Meeresspiegel (außer bei hermetisch dichtem Relaisgehäuse)

Relaistypen

Relais, Staubschutzkappe entfernt

Unter den Relais gibt es eine sehr große Anzahl verschiedener Bauformen und Ausführungen. Darüber hinaus können Relais nach verschiedenartigen Gesichtspunkten typisiert werden, beispielsweise nach Anzahl der in stromlosem Zustand möglichen Schaltzustände, nach Bauform, Baugröße, Einsatzgebiet, Art oder Material der Kontakte, Schaltleistung oder Funktionsprinzip. Ein Relais kann daher oft zu verschiedenen Typen gezählt werden.

Die wichtigsten Typen sind:

Kleinrelais

Zu dem etwas unklar abgegrenzten Begriff Kleinrelais gehören eine Vielzahl meist im Niederspannungsbereich eingesetzte Relais, die oft zum Einbau auf Leiterplatten vorgesehen sind („Printrelais“). Weitere Beispiele sind DIL-Relais, kammgeführte Relais oder SMD-Miniaturrelais.

Schütze

→Hauptartikel Schütz (Schalter)

Ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik wird Schütz genannt. Die Stromstärke und elektrische Spannung im Laststromkreis können um ein Vielfaches größer als in der Spule sein. Schütze besitzen einen Zuganker, für dessen Ansteuerung eine etwas höhere Leistung erforderlich ist, und sie haben in der Regel mehrere gleichartige Schaltkontakte, wie sie zum Schalten von Drehstromverbrauchern benötigt werden. Des Weiteren gibt es sogenannte Hilfsschütze, die ihrerseits zur Steuerung der vorgenannten Hauptschütze dienen.

Halbleiterrelais

Triac-Halbleiterrelais zum Schalten von Wechselspannungen

Solid State Relay

Halbleiterrelais (engl. solid state relay, SSR, daher eingedeutscht auch Solid-State-Relais genannt) sind keine eigentlichen Relais, obwohl sie im Allgemeinen dieser Kategorie angehören. Vielmehr handelt es sich um elektronische Bauelemente. Halbleiterrelais werden mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Sie arbeiten ohne bewegte Teile, sind daher sehr langlebig und für hohe Schalthäufigkeit und ungünstige Umweltbedingungen (wie Umgebungen mit explosiven Gasgemischen) geeignet.

Mit Halbleiterrelais besteht die Möglichkeit, Wechselspannung während des Nulldurchganges zu schalten, womit störende Impulse vermieden werden können. Eine galvanische Trennung wird bei Halbleiterrelais durch im Bauteil integrierte Optokoppler erreicht. Halbleiterrelais haben gegenüber mechanischen Relais höhere Verluste im Laststrompfad und müssen daher oft auf einen Kühlkörper montiert werden.

Eine Sonderstellung nehmen so genannte OptoMOS- bzw. PhotoMOS-Relais ein, da sie im Aufbau Optokopplern ähneln: Sie arbeiten steuerungsseitig wie ein Optokoppler mit einer IR-LED und besitzen lastseitig im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Halbleiterrelais keine Triacs oder Thyristoren, sondern MOSFETs, mit denen sie Gleich- und Wechselspannungen bei typischerweise eher geringem Strom schalten können. Sie müssen nicht gekühlt werden und besitzen bei geringem Laststrom einen geringeren Spannungsabfall als Halbleiterrelais, zeigen typischerweise jedoch einen höheren „Kontaktwiderstand“ als mechanische Signalrelais. Sie arbeiten prell- und verschleißfrei sowie mit hohen Schaltgeschwindigkeiten (einige Millisekunden), die bei Spezialausführungen Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz erreichen können.

Bistabile Relais

Bistabile Relais sind gekennzeichnet durch ihre Eigenschaft, dass sie im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Schaltzustände einnehmen können. Zu den bistabilen Relais gehören

→Hauptartikel Stromstoßrelais

Stromstoßrelais (in der Elektroinstallationstechnik auch als Stromstoßschalter bezeichnet) schalten bei einem Stromimpuls in den jeweils anderen Schaltzustand um und behalten diesen bis zum nächsten Impuls bei. Das Beibehalten des Zustandes wird durch eine mechanische Verriegelung gewährleistet.

→Hauptartikel Haftrelais

Haftrelais, auch als Remanenzrelais bezeichnet, nutzen die Remanenz, um nach Abschalten des Erregerstromes weiterhin im angezogenen Zustand zu verbleiben. Zum Umschalten in den anderen Schaltzustand ist entweder an einer zweiten Wicklung mit umgekehrtem Wicklungssinn eine Spannung gleicher Polarität anzulegen (Doppelspulenrelais), oder bei Haftrelais mit nur einer Wicklung eine Spannung an diese mit entgegengesetzter Polarität.

Gepolte Relais

Es gibt zwei Arten von Relais, bei denen die Polarität vorgeschrieben ist:

• bei gepolten Relais ist die Polarität der anzulegenden Erregerspannung festgelegt. Polarisierte Relais haben einen integrierten Dauermagneten, dessen Feld das der Erregerspule additiv überlagert. Dadurch ist die Anzugsspannung reduziert, bzw. die Anzugsempfindlichkeit ist erhöht.
• bei Relais mit integrierter Freilaufdiode kann die Spannung nur in Sperrrichtung der Diode angelegt werden. Diese Variante findet man hauptsächlich bei Relais im DIL-Gehäuse.

Relais in Kraftfahrzeugen

Kfz-Relais sind robust gebaute Relais, die den erhöhten Anforderungen in Kraftfahrzeugen hinsichtlich Stoßfestigkeit und Temperaturbereich standhalten können. Sie arbeiten mit der Bordspannung von 12 V oder 24 V und können höhere Ströme schalten. In der Regel besitzen sie Anschlüsse mit 6,3-mm-Flachsteckern. Häufig enthalten sie im Gehäuse schon Bauelemente (Widerstand, Diode) zum Begrenzen der Gegeninduktionsspannung der Spule.

Sonderfunktionen

Links: Regensensor-Relais, Rechts: geöffnetes EGR-Relais

Die „Relais“, die als steckbare Baugruppen u. a. im Sicherungskasten von Kraftfahrzeugen verbaut sind, sind häufig Relais mit weiteren Funktionen oder elektronische Baugruppen bzw. kleine Steuergeräte. Beispiele:

• Intervallrelais für den Scheibenwischer (Elektrischer Taktgeber, teilweise mit einstellbarer oder regengesteuerter Intervallzeit)
• Blinkrelais (Taktgeber für den Blinker)
• Glühzeitrelais für die Glühkerze von Dieselmotoren (Zeitsteuerung und Strompfadkontrolle)
• EGR-Relais (Steuerung der luftdruck- und drehzahlabhängigen Abgasrückführung)
• Benzinpumpenrelais (Zeit- und drehzahlabhängige Steuerung der Benzinpumpe)
• Steuerung für anklappbare Außenspiegel und Bordsteinkanten-Funktion

In vielen dieser kleinen Steuergeräte ist zwar tatsächlich noch ein mechanisches Relais enthalten, der Begriff Relais für die gesamte Einheit ist eher historisch bedingt. In modernen Autos werden die meisten Funktionen in größeren zentralen Steuergeräten integriert – so wird heute oft das typische Geräusch des Blinkrelais entweder per Lautsprecher oder mit einem Relais erzeugt, das keine Last schaltet.

Fernmelderelais

Flachrelais und Rundrelais in einer Telefonanlage von 1975

In den elektromechanischen Vermittlungsstellen und Telefonanlagen wurden Relais in großem Umfang eingesetzt. Sie dienten der logischen Ablaufsteuerung beim Auf- und Abbau der Wählverbindungen. Dabei waren den Teilnehmern in der Teilnehmerschaltung, sowie dem Koppelfeld, das meist aus Wählern bestand, Relais fest zugeordnet. Zu den wichtigsten Vertretern dieser Art von Relais, die heute nur noch sehr vereinzelt anzutreffen sind, zählen das Flachrelais, das Rundrelais und das ESK-Relais.

Wechselstromrelais

Elektromagnetische Relais können nicht ohne weiteres mit Wechselspannung betrieben werden, da das Magnetfeld, das den Anker halten soll, sich dauernd umpolt. Der Anker zieht zwar in der Regel bei Spannungen mit Netzfrequenz an, klappert aber und ein präzises Schalten der Kontakte ist nicht sichergestellt. Folgende Relais können mit Wechselstrom betrieben werden:

• Spaltpolrelais haben eine Kurzschlusswindung (siehe Spaltpolmotor). Der dort induzierte Strom hält den Magnetfluss auch dann noch aufrecht, wenn der Steuerstrom seinen Nulldurchgang hat.

• Beim Phasenrelais handelt es sich um ein Relais mit zwei Wicklungen, in denen der Stromfluss mittels eines Kondensators um 90 Grad phasenverschoben ist. Damit ist eine Spule immer voll erregt, wenn der Erregerstrom in der anderen durch Null geht.

• Gleichstromrelais mit vorgeschaltetem Gleichrichter (der gelegentlich in das Relaisgehäuse eingebaut ist).

Weitere Relaistypen

Ein Signalrelais in der Eisenbahnsicherungstechnik ist ein Relais, das besonderen konstruktiven Anforderungen genügen muss, damit es für sicherheitsrelevante Schaltungen verwendet werden darf.

Signalrelais in der Elektronik haben Gold- oder Palladiumkontakte und sind speziell und ausschließlich für kleine Ströme und Spannungen geeignet. Leistungsrelais haben dagegen z. B. Silber-Cadmium- oder Silber-Wolfram-Kontakte und sind zum Schalten von höheren Strömen geeignet.

Reedrelais im DIP-Gehäuse

Reed-Relais haben einen in Schutzgas eingeschlossenen Kontakt, der zugleich Magnetanker ist.

Koax-Relais werden zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet und haben eine definierte Leitungsimpedanz (z. B. 50 Ohm) zwischen Kontaktweg und Abschirmung.

Stromrelais besitzen eine besonders niederohmige Spule, damit sie mit einem elektrischen Verbraucher, dessen Stromfluss überwacht werden soll, in Reihe geschaltet werden können.

Quecksilberrelais verwenden zum Schalten des Kontaktes das bei Raumtemperatur flüssige Metall Quecksilber, das sich unter Schutzgas in einer beweglich gelagerten Glasröhre oder zusammen mit einem Eisen-Anker oder einer Heizung in einem feststehenden Glasgefäß befindet. Quecksilberrelais können mittels einer ausgeklügelten Mechanik auch als Stromstoßrelais ausgeführt sein.

Bimetallrelais arbeiten nicht elektromagnetisch sondern benutzen die thermische Wirkung des Stromflusses. Sie werden zum zeitverzögerten Schalten verwendet. Ein mit einem Heizleiter umwickelter Bimetallstreifen wird langsam erhitzt und schaltet dann einen Kontakt.

Differenzrelais haben zwei Wicklungen mit denselben elektromagnetischen Eigenschaften und sprechen bei kleinen Stromdifferenzen zwischen den Wicklungen an. Nach dem Prinzip der Stromdifferenzauswertung arbeiten beispielsweise Fehlerstromschutzschalter.

Polwenderelais haben zwei Spulen und zwei Umschaltkontakte, die intern zu einer H-Brücke zum Umkehren der Drehrichtung von Gleichstrommotoren verschaltet sind. Ferner werden diese Relais zur Ansteuerung von Nebenuhrenlinien in Uhrenanlagen verwendet.

Telegrafenrelais sind hochempfindliche, polarisierte Relais, die in der Fernschreibvermittlung eine wichtige Rolle spielten.

Melderelais besitzen außer den Schaltkontakten eine Schauklappe, die beim Fallklappenrelais nach dem Auslösen ihre Stellung bis zu einer Quittierung beibehält. Die mechanische Meldefunktion besitzt auch elektrische Kontakte. Melderelais mit Stromspule können auf diese Weise einmalig Stromüberschreitungs-Ereignisse speichern und bis zur Quittierung anzeigen ^[1].

Zählrelais zählen Ergebnisse. Dazu addieren oder subtrahieren sie Impulse und schalten als Kontakt, wenn der aktuelle Istwert größer oder gleich einem oberen Schwellwert – dem Sollwert – ist.

Relais im weiteren Sinne

Schrittschaltrelais geöffnet

Diese Relais sind zusätzlich mit einer mehr oder weniger aufwändigen Mechanik oder Elektronik versehen.

Schrittschaltrelais wurden zur Steuerung in historischen Telefonanlagen, Ampelschaltungen oder auch Waschautomaten benutzt.

Zeitrelais gibt es in elektronischer oder elektromechanischer Ausführung, sie werden zur zeitlichen Ablaufsteuerung in Maschinen und Geräten eingesetzt.

Eine Form des Zeitrelais ist das Impulsrelais. Es schaltet nach Erhalt eines Aktivierungsimpulses den Kontakt für eine definierte Zeitspanne, arbeitet also analog zu einer monostabilen Kippstufe. Ein typisches Beispiel ist ein Treppenhausschalter.

Ein Wischerrelais (siehe auch Wischkontakt) ist ein Impuls- oder ein bistabiles Relais, das speziell auch auf sehr kurze („gewischte“) Impulse anspricht.

Überwachungsrelais melden mithilfe eines Sensors die Über- oder Unterschreitung bestimmter voreingestellter Werte. So können beispielsweise Temperaturen, Flüssigkeitsstände, Spannungen, Asymmetrien in Drehstromnetzen mittels Asymmetrierelais oder beliebige andere physikalisch messbare Größen überwacht werden.

Distanzschutzrelais, Erdschlussrelais und Netzschutz sind Schutzrelais in Stromnetzen und dienen im Fehlerfall wie Kurz- oder Erdschluss zur Abschaltung der entsprechenden Netzabschnitte mittels Leistungsschalter.

Kennwerte

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Kennwerte aufgelistet, über die ein Relais spezifiziert wird. Darüber hinaus ist natürlich noch eine Maßzeichnung, Anschlussbelegung usw. interessant. Die Beispiele betreffen ein typisches 12V-KFZ-Relais^[2].

Kennwert	Erläuterung	Beispiel
Spule
Nennspannung	Nenn-Betriebsspannung (Arbeitsbereich), Stromart der Relaisspule	12 V (10…16 V) DC
Spulenstrom oder -widerstand	Spulenstrom bei Nennspannung	117 mA / 103 Ω
Anzugssspannung	Typische Spannung, bei der der Anker anzieht	3…7 V
Abfallspannung	Typische Spannung, bei der der Anker abfällt. Sie ist geringer als der Anzugsstrom bzw. die Anzugsspannung. Dadurch kann ein Relais z. B. auch bei Fremdeinspeisung mit niedrigerer Spannung (ungewollt) angezogen bleiben.	1,2…4,2 V
Kontakte
Kontaktausführung	Anzahl und Art der Schaltkontakte	1 x Ein (SPST)
Schaltstrom	Strom, der ein-/ausgeschaltet werden kann, abhängig von der Last und der Stromart	100[3]/40 A
Dauerstrom	Strom, der im eingeschalteten Zustand maximal dauernd fließen darf (thermische Dauerstrom-Belastbarkeit), liegt meist über dem Abschaltstrom	40 A
Schaltspannung	Spannung, die maximal geschaltet werden kann, abhängig vom Lastverhalten und der Stromart	ca. 35 V DC @ 10 A
Umgebungstemperatur	Temperaturbereich, in dem das Relais betrieben werden darf	-40…+85 °C
Prüfspannung	Spannung, die zwischen dem Spulenstromkreis (Wicklung) und dem Kontaktstromkreis maximal anliegen darf	500 V AC
Elektrische Lebensdauer	Anzahl der Schaltvorgänge, die die Kontakte bei einer spezifizierten Belastung unter Einhaltung der elektrischen Parameter überstehen	100.000 bei 20 °C / 14 V DC / 40 A
Mechanische Lebensdauer	Anzahl der Schaltvorgänge, die die Mechanik bei einer spezifizierten Umgebung übersteht	1.000.000 bei 20 °C
Spannungsabfall oder Kontaktwiderstand	Maximaler Spannungsabfall bei einem spezifizierten Strom oder Kontaktwiderstand über den Schaltkontakten	2 mΩ (zu Beginn)
Kontaktwerkstoff	Material der Kontakte, meist Legierungen (hohe Schaltleistungen) oder Edelmetalle (Signalzwecke)	Silberlegierung
Gesamtsystem
Ansprechzeit	Typische/maximale Zeit zwischen Anliegen der Betätigungsspannung und Schließen der Kontakte	6,5/15 ms
Rückfallzeit	Typische/maximale Zeit zwischen Unterschreiten des Haltestromes und Öffnen der Kontakte	2/15 ms
Schaltfrequenz	Maximale Betätigungsfrequenz des Relais	nicht spezifiziert
Vibrations- und Stoßfestigkeit	Beschleunigung bei Stoß/Rütteln (Frequenzbereich), bei denen das Relais keine mechanischen Beschädigungen erleidet, die Funktion erhalten bleibt und die Kontakte zuverlässig in der jeweiligen Position bleiben	20 g / 4,5 g (10…100 Hz)

Kennzeichnung eines Relais

Normierte Kennzeichnung der Anschlüsse

• A1, A2: Spule
• 13, 14: Schließer (Kontakt schließt bei Anlegen einer Spannung an die Spule)
• 11, 12: Öffner
• 11, 12, 14: Wechsler (11 ist der gemeinsame Kontakt, die Zunge)

Haben Relais mehrere Betätigungs-Spulen, so werden die weiteren Spulen mit A3/A4 usw. bezeichnet. Die vordere Zahl der Kontaktbezeichnung wird bei einem Relais mit mehreren Kontakten numerisch erhöht.Die hintere Ziffer gibt die Art des Relais-Kontaktes an. So bezeichnet z. B. 53/54 den 5. Kontakt, der ein Schließer ist.

Im (deutschen) Fernmeldewesen ist folgende Regelung üblich (DIN 41220): Man bezeichnet:

• Spulen mit Großbuchstaben
• die zugehörigen Kontakte mit den entsprechenden Kleinbuchstaben
• die Anordnung im Kontaktsatz mit römischen Ziffern

Übliche Bezeichnung der Schaltkontakte

In Datenblättern und Vergleichstabellen zu Relais findet man häufig englische Abkürzungen für die Anzahl der Schaltkontakte und -positionen:

• P Pole – Anzahl der Schaltkontakte (Single, Double, ...)
• T Throw – Anzahl der Schaltpositionen (Single, Double)
• Ruhe-, Arbeits- und Wechselkontakte:
  NC – Normally Closed = Ruhekontakt; auch: Break
  NO – Normally Open = Arbeitskontakt; auch: Make
  CO – Change Over = Wechselkontakt; auch: Break - Make (B-M)
• Anzahl der Kontaktstellen:
  Der einfachste Schalter hat eine Kontaktstelle; einer der Leiter ist direkt mit dem beweglichen Schaltelement verbunden:
  SM – Single Make (Arbeitskontakt)
  SB – Single Break (Ruhekontakt)
  SM-SB – Wechselkontakt
  Es gibt aber auch Schalter mit zwei Kontaktstellen, wobei das bewegliche Schaltglied die Verbindung zwischen beiden Leitern entweder herstellt oder trennt (bei Schützen üblich):
  DM – Double Make (Arbeitskontakt)
  DB – Double Break (Ruhekontakt)
  DB-DM – Wechselkontakt
• Reihenfolge der Abkürzungen:
  Eine Kontaktanordnung wird folgendermaßen gekennzeichnet:
  1. Polzahl (Poles)
  2. Schaltstellungen (Throws)
  3. Ruhezustand (Normal Position)
  Gelegentlich folgt noch eine Break-Make-Angabe (meist weggelassen)

Einige Beispiele:

SPST NO = Single Pole, Single Throw, Normally Open – Einpoliger Schalter mit Arbeitskontakt

SPDT – Einpoliger Umschalter (auch: SP CO)

DPST NO – Zweipoliger Einschalter

DPDT – Zweipoliger Umschalter (auch: DP CO)

Schalten von Relais mit Transistoren

Ansteuerschaltungen für Relais

Bei der Ansteuerung der Relaisspule mit einem Transistor ist zu beachten, dass durch Selbstinduktion beim Abschalten des Stromes durch die Spule des Relais eine hohe Spannung mit entgegengesetzter Polarität entsteht. Diese Spannung überschreitet die Nennspannung des Relais deutlich und kann durch Überschreiten der maximalen Sperrspannung des Transistors diesen zerstören.

Um die Zerstörung des Schalttransistors (T1 in der Abbildung) zu verhindern, schließt man diese Gegenspannung durch eine Freilaufdiode (D1 in der Abbildung) kurz bzw. begrenzt sie auf die Vorwärtsspannung der Diode. Allerdings führt das dazu, dass das Magnetfeld in der Spule langsamer zusammenbricht und sich die Schaltzeit des Relais deutlich verlängert – was wiederum durch einen stärkeren Schaltlichtbogen die Lebensdauer der Schaltkontakte verringert.

Die Nachteile hinsichtlich der Schaltzeit der Variante A löst man durch Hinzufügen einer Zenerdiode (ZD 1 in der Abbildung, Variante B), deren Zenerspannung als Richtwert ungefähr der Nennspannung des Relais entsprechen sollte – das Magnetfeld in der Spule kann deutlich schneller zusammenbrechen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Sperrspannung des Schalttransistors immer noch größer als Betriebsspannung plus Zenerspannung sein muss, um seine Zerstörung zu verhindern.

Es gibt noch weitere Schutzschaltungen, zum Beispiel mit parallelem Schutzwiderstand oder mit auf die Induktivität der Spule abgestimmtem RC-Glied (snubber). Diese Maßnahmen arbeiten polaritätsunabhängig und sind auch für Relais mit Wechselspannungs-Betätigung geeignet.

Einige Relaistypen haben bereits eine Freilaufdiode oder einen Schutzwiderstand eingebaut.

Weiterhin gibt es spezielle, zum Schalten induktiver Lasten geeignete Schalttransistoren, die ihrerseits eine Begrenzerdiode eingebaut haben (z. B. der Darlington-Transistor 2SD1843).

Historisches zum Relais

Telegraphie

Das elektromagnetische Relais (EMR) wurde im Jahr 1835 von Joseph Henry erfunden, und diente ihm zur Nachrichtenübermittlung vom Labor zu seinem Haus. Samuel Morse konsultierte J. Henry im Jahre 1837 wegen seines Schreibtelegrafen. Morse verbesserte danach das EMR so, dass es auch auf schwächere Impulse reagierte und setzte es als Signalverstärker ein. Die Idee eines Telegraphen existierte zwar schon länger, aber das Relais war letztendlich der Schlüssel zum Erfolg. Es musste alle 30 km in den Signalweg der Telegraphenleitungen eingefügt werden, um die ankommenden schwachen Signale wieder zu regenerieren. Damit war die Grundlage geschaffen, Impulse über weite Strecken zu übertragen. Die erste Demonstration des Telegraphen fand 1844 zwischen Washington (D.C.) und Baltimore statt. In Anlehnung an die Relaisstationen der Post, wo die Postreiter ihre Pferde gegen frische tauschen konnten, taufte man das neue Gerät Relais.

Fernsprechvermittlung

Einen wesentlichen Impuls zur weiteren Verbreitung des Relais war die Einführung der Teilnehmerselbstwahl in der Fernsprechvermittlungstechnik Ende des 19. Jahrhunderts. Die erste Selbstwähleinrichtung in Deutschland wurde am 10. Juli 1908 in Hildesheim für den Ortsverkehr mit 900 Teilnehmern in Betrieb genommen. Der nationale Fernsprechverkehr wurde ab 1923 nach und nach automatisiert und wäre ohne den massiven Einsatz der Relaistechnik nicht denkbar gewesen.

Relais am Beginn der Computerentwicklung

Das Relais ermöglichte auch die Entwicklung des Computers, der erstmals 1941 von Konrad Zuse unter dem Namen „Z3“ mit 2.000 Relais für das Rechenwerk und den Speicher gebaut wurde.

Relais wurden in der Computertechnik allerdings schon Mitte der 40er Jahre weitgehend durch Elektronenröhren ersetzt. Später wurde die Funktion von Transistoren und Integrierten Schaltkreisen (IC) übernommen.

Literatur

• Werner M. Köhler: Relais Grundlagen, Bauformen und Schaltungstechnik. 2. Auflage. Franzis-Verlag, München 1978, ISBN 3-7723-1602-6.
• Harry Dittrich, Günther Krumm: Elektro-Werkkunde. Band 5: Berufspraxis für Fernmeldeinstallateure, Fernmeldeelektroniker, Fernmeldemechaniker und Fernmeldehandwerker mit Fachrechnen und Fachzeichnen. 5. Auflage. Winklers Verlag, Darmstadt 1973.
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.

Siehe auch

• Relaisdiagramm
• Selbsthaltung
• Hybridrelais | Lastabfallrelais | Batterietrennrelais

Weblinks / Referenzen

 Commons: Relais – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Relais – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Glossar zum Thema Relais
• Begriffe und allgemeine Informationen über den Aufbau von Industrierelais
• Darstellung im virtuellen Physik-Museum des Laurentianum-Gymnasiums
• Landesbildungsserver Baden-Württemberg
• Relais als eines der Hauptbauteile in der elektromechanischen Vermittlungstechnik

Fußnoten

1. ↑ http://www.relko.cz/katalogy/eaw/MelderelaisRA70.pdf
2. ↑ http://www.panasonic-electric-works.de/catalogues/downloads/relays/ds_61202_0000_en_cb.pdf Typ CB1a-12V
3. ↑ http://www.panasonic-electric-works.de/catalogues/downloads/relays/ds_61202_0000_en_cb.pdf Einschaltstrom, nicht spezifiziert, jedoch getestet, siehe Seite 6