Relais sind elektromechanische Geräte, die als Schalter fungieren und nach dem Prinzip der elektromagnetischen Anziehung arbeiten, um elektrische Schaltkreise zu steuern und es zu ermöglichen, dass Signale mit geringem Stromverbrauch Systeme mit hohem Stromverbrauch sicher und effizient steuern.
Relaisstruktur und -symbole
Kredit an OMRON
Elektromagnetische Relais bestehen aus drei Hauptkomponenten: einer elektromagnetischen Spule, einem beweglichen Anker und Kontakten. Die Spule, die in der Regel aus isoliertem Draht besteht, der um einen Eisenkern gewickelt ist, erzeugt bei Erregung ein Magnetfeld. Der Anker, ein bewegliches Eisenteil, wird von diesem Magnetfeld angezogen, wodurch sich der Zustand des Relais ändert.
Relaissymbole in elektrischen Schaltplänen stellen diese Komponenten und ihre Funktionen dar:
- Symbole für Spulen: Oft als Kreis oder Oval mit zwei Enden dargestellt.
- Kontakt-Symbole: Dargestellt als Linien, die offen (normal offen, NO) oder geschlossen (normal geschlossen, NC) sein können.
- Armatur: Dargestellt durch eine Linie, die die Spule mit den Kontakten verbindet.
Übliche Relaissymbole sind:
- SPST (Single Pole Single Throw): Ein schaltbarer Kontakt.
- SPDT (Single Pole Double Throw): Ein schaltbarer Kontakt mit zwei möglichen Positionen.
- DPST/DPDT: Zweipolige Versionen mit zwei Sätzen von Kontakten.
Diese standardisierten Symbole ermöglichen es Ingenieuren, Relaiskonfigurationen in Schaltplänen schnell zu verstehen, was die effiziente Entwicklung und Fehlersuche in elektrischen Systemen erleichtert.
Arbeitsprinzip des Relais
Das Funktionsprinzip eines Relais beruht auf der Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Wenn Strom durch die Relaisspule fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, das einen beweglichen Anker anzieht. Dieser Anker ist mit einem oder mehreren Kontakten verbunden, die je nach Konfiguration des Relais entweder Stromkreise öffnen oder schließen. Der Prozess umfasst:
- Erregung der Spule durch ein elektrisches Signal
- Erzeugung eines Magnetfeldes um die Spule
- Bewegung des Ankers aufgrund der magnetischen Anziehung
- Schalten von Kontakten zur Steuerung des Stromkreises
- Das Abschalten der Spule bewirkt, dass der Anker in seine ursprüngliche Position zurückkehrt, oft unterstützt durch einen Federmechanismus.
Dieser einfache, aber wirksame Mechanismus ermöglicht es den Relais, als Vermittler zwischen Steuerschaltungen mit geringem Stromverbrauch und Lastschaltungen mit hohem Stromverbrauch zu fungieren, was sie in verschiedenen elektrischen und elektronischen Anwendungen von unschätzbarem Wert macht.
Mechanismus der elektromagnetischen Anziehung
Das Herzstück eines Relais ist die elektromagnetische Anziehungskraft, die die Grundlage für seinen Schaltmechanismus bildet. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule des Relais fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, das eine Kraft auf einen beweglichen Anker ausübt. Dieser Anker ist mechanisch mit den Relaiskontakten verbunden, so dass diese je nach Konfiguration des Relais entweder geöffnet oder geschlossen werden. Die Stärke des Magnetfelds und damit die auf den Anker wirkende Kraft ist direkt proportional zu dem durch die Spule fließenden Strom. Wenn die Spule stromlos wird, bringt ein Federmechanismus normalerweise den Anker und die Kontakte in ihre ursprüngliche Position zurück und setzt das Relais zurück. Durch dieses elegante Zusammenspiel elektrischer und mechanischer Komponenten können Relais mit Hilfe von Signalen mit geringem Stromverbrauch Schaltkreise mit hoher Leistung effektiv steuern, was sie zu einem unverzichtbaren Element in verschiedenen Anwendungen macht, bei denen Sicherheit und Automatisierung an erster Stelle stehen.
Normalerweise offene vs. geschlossene Kontakte
Relais können mit verschiedenen Kontakttypen konfiguriert werden, vor allem mit Schließern (NO) und Öffnern (NC). Bei NO-Konfigurationen bleibt der Stromkreis offen, wenn das Relais nicht erregt ist, und schließt sich bei Erregung. Umgekehrt halten NC-Konfigurationen den Stromkreis geschlossen, wenn das Relais nicht erregt ist, und öffnen ihn bei Erregung. Dank dieser Vielseitigkeit können Relais für verschiedene Anwendungen maßgeschneidert werden, z. B. für die Steuerung von Stromkreisen mit hoher Leistung oder die Implementierung von Sicherheitsmechanismen. Die Wahl zwischen Schließer- und Öffnerkontakten hängt von den spezifischen Anforderungen des Systems ab und ermöglicht es den Ingenieuren, Schaltkreise zu entwerfen, die sowohl auf normale Betriebsbedingungen als auch auf potenzielle Ausfälle angemessen reagieren.
Hauptfunktionen von Relais
Relais erfüllen mehrere wichtige Funktionen in elektrischen Systemen, erhöhen die Sicherheit und ermöglichen anspruchsvolle Kontrollmechanismen. Sie fungieren als Schaltkreissteuerungen und ermöglichen die Automatisierung verschiedener Geräte, indem sie Schaltkreise auf der Grundlage von Steuersignalen ein- und ausschalten. Darüber hinaus bieten Relais einen wichtigen Schutz, indem sie die Stromzufuhr unterbrechen, wenn unsichere Bedingungen erkannt werden, und so die Stromkreise vor Überlastungen schützen.
Diese vielseitigen Geräte erleichtern auch die Signaltrennung, indem sie Interferenzen zwischen verschiedenen Schaltungsabschnitten verhindern und es Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Mikrocontrollern ermöglichen, Lasten mit hohem Stromverbrauch wie Motoren oder Heizungen ohne direkte elektrische Verbindung zu steuern. In komplexen Systemen können Relais mehrere Steuersignale integrieren und ermöglichen so fortschrittliche Automatisierungs- und Steuerungssysteme für verschiedene Anwendungen.
Arten von Relais
Relais gibt es in verschiedenen Ausführungen, die jeweils für bestimmte Anwendungen und Betriebsbedingungen ausgelegt sind. Einige gängige Typen sind:
- Elektromagnetische Relais: Der einfachste und am weitesten verbreitete Typ, der nach dem Prinzip der elektromagnetischen Anziehung funktioniert.
- Solid-State-Relais (SSR): Verwendung von Halbleitern zum Schalten, die im Vergleich zu elektromagnetischen Relais einen schnelleren Betrieb und eine längere Lebensdauer bieten.
- Reed-Relais: Sie verwenden einen Reed-Schalter in einer Glasröhre, der für seine schnellen Schaltgeschwindigkeiten und den geringen Übergangswiderstand bekannt ist.
- Zeitverzögerungsrelais: Integrieren Sie einen Verzögerungsmechanismus vor der Aktivierung oder Deaktivierung von Kontakten, der für die Ablaufsteuerung und Prozesskontrolle nützlich ist.
- Verriegelungsrelais: Behalten ihre Position bei, nachdem die Steuerspannung abgeschaltet wurde, ideal für energiesparende Anwendungen.
Relais werden auch auf der Grundlage ihrer Kontaktkonfigurationen klassifiziert, wie z. B. Single Pole Single Throw (SPST), Single Pole Double Throw (SPDT) und Double Pole Double Throw (DPDT), die jeweils unterschiedliche Schaltfunktionen bieten. Die Wahl des Relaistyps hängt von Faktoren wie Schaltgeschwindigkeit, Leistungsanforderungen, Umgebungsbedingungen und den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab.
