Relais - Ferngesteuertes Schalten

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
1 Transistor BC548C (BC546C-BC550C)
1 Diode 1N4001 (1N4001-1N4007)
1 Zenerdiode 3,3 V / 1,3 W
1 Widerstand 470 Ohm  
1 Widerstand 4,7 kOhm  
1 Widerstand 22 kOhm  
1 Elektrolytkondensator 470 µF/16V  
1 Mikrotaster
1

Miniatur-Relais (5)6V mit 2 Wechselkontakten

z.B. BT-5S von Bestar oder G6S-2 6V von Omron
2 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm

 

 

Grundlagen

 

Man sollte meinen, mit reiner Elektronik ließe sich jedes Schaltproblem lösen. Dies ist in einigen Fällen aber recht schwierig oder teilweise sogar nicht lösbar. Relais bieten gegenüber Transistoren, Thyristoren oder Triacs doch nicht abzuwendende Vorteile.

 

Relais gibt es in nahezu allen denkbaren möglichen Varianten. Es gibt kleine Relais, die nicht größer als ein integrierter Schaltkreis sind und hauptsächlich in der Computertechnik vorzufinden sind. Für Schaltaufgaben mit mittlerer Leistung von einigen wenigen Ampere werden Miniatur-Relais bevorzugt. Dies geht immer so weiter bis hin zu so genannten Schaltschütze, die die Größe eines Kühlschrankes haben können und fähig sind locker eine Kleinstadt stromlos zu schalten.

 

Einen der größten Vorteile von Relais ist die galvanische Trennung von Steuerung und Last. Durch Relais ist die Steuerelektronik nahezu 100% vor dem Lastkreis geschützt. Selbst einen Kurzschluss können die Relais oftmals vertragen, wenn nicht gerade in diesem Moment geschaltet wird.

 

SIL, DIL, Miniatur und Kamm-Relais

 

Wofür man nun welche Relais-Art verwendet, hängt davon ab, welche Leistungen man schalten möchte und wie viel Kontakte man benötigt.

 

SIL/DIL-Relais Diese Relais findet man hauptsächlich in der Computertechnik. Sie benötigen einen Betriebsstrom, der nicht höher liegt als der einer einfachen Leuchtdiode. Daher können diese Relais oft direkt an die Ausgänge eines Computers angeschlossen werden.

DIL/SIL-Relais können aber nur Ströme bis ca. 1A schalten. Für viele Anwendungen ist dies aber schon ausreichend.
Miniatur-Relais Benötigt man höhere Ströme, werden Miniatur-Relais verwendet. Diese schaffen schon einige Ampere.
Karten und Kamm-Relais Sollen Haushaltsspannungen geschaltet werden, greift man auf diese Relais-Art zurück. Hiermit lassen sich problemlos Ströme mit bis zu 16 A schalten und so kann man z.B. Steckdosenleisten durch eine Elektronik an bzw. abzuschalten.
Schütz Benötigt man noch höhere Ströme und/oder mehr Kontakte, weil man z.B. die ganze Steuerung mit Relais ausführen möchte, nimmt man Schaltschütze. Diese Relais-Art findet hauptsächlich in der Steuerungstechnik Verwendung. Es sind Schütze verfügbar, die problemlos etliche kA schalten können.

Für den Elektroniker sind Schütze aber weniger interessant.

 

Die Standard-Relais besitzen alle einen ähnlichen Aufbau. Als Kernelement ist hier zunächst einmal die Spule, die auf einem Eisenkern sitzt. Wird die Spule mit Strom versorgt, entsteht ein Magnetfeld, welches den Kontaktanker anzieht. Durch diese Bewegung werden die Schaltkontakte geöffnet bzw. geschlossen. Fällt der Strom wieder weg, sorgt Federkraft dafür, das der Kontakt wiederum umschaltet.

Kamm-Relais besitzen anstelle des Kontaktankers einen Hebel der mit einer Betätigungsplatte verbunden ist, welche dann die Kontakte betätigt. Da dieses Teil sich durch die Kontakte fädeln muss, hat es die Form eines Kammes woher diese Relais-Art ihren Namen hat.

 

Neben den Standard-Relais sind im Handel auch noch Typen verfügbar, die Sonderfunktionen besitzen.

 

Zeitrelais haben eine eingebaute Elektronik, womit man das Relais für Zeitfunktionen einsetzen kann. Treppenlicht, Nachlaufsteuerungen, Blinkgeber um nur einige zu nennen. Der Blinker in einem Auto, wird mit einem Zeitrelais gesteuert. Das Schalten des Relais ist deutlich zu hören.

 

Bistabile Relais setzt man dort ein, wo Lasten dauerhaft umgeschaltet werden sollen. Diese Relais besitzen zwei Erregerspulen. Je nachdem, welche Spule angesteuert wird, schalten die Kontakte um und bleiben in diesem Zustand, bis die entgegengesetzte Spule angesteuert wird.

 

Müssen bestimmte Schaltimpulse abgezählt werden, werden Zählrelais eingesetzt. Das Relais wird auf eine Soll-Zahl eingestellt und dieser Wert wird bei jeder Ansteuerung um 1 heruntergezählt. Ist der Zähler bei 0 angekommen schaltet das Relais die Kontakte durch. Solche Relais finden aber heute nahezu keine Verwendung mehr. Elektronikschaltungen lösen diese Aufgabe besser und Umfangreicher.

 

Das Relais das wir hier verwenden, ist ein Miniatur-Relais mit einer Spulenspannung von 5 oder 6 V. Es besitzt 2 Wechselkontakte. Andere Relais mit 6 V Spulenspannung sind auch verwendbar. Es kann aber eine andere Kontaktbelegung vorhanden sein. In diesem Fall muss der Bauplan entsprechend angepasst werden. Ebenso sind einige Relais für eine bestimmte Polung ausgelegt. Darauf sollte dann auch geachtet werden.

Die Spule des Relais wird durch ein Rechteck dargestellt. Die mechanische Verbindung zu den Kontakten zeichnet man als gestrichelte Linie. Ist dies nicht möglich, wird an jedem Kontakt die Relais-Bezeichnung geschrieben.

 

 

Schalten mit Relais

 

 

Hier ist eine einfache Relaisschaltung zu sehen. Da wir bei unseren Versuchen ein Relais mit 6 V Spulenspannung verwenden, wird vor dem Relais noch eine Zenerdiode vorgeschaltet, die die Spannung herabsetzt. Es würde auch ohne Z-Diode funktionieren, aber der Betriebsstrom steigt in diesem Fall und belastet die Spannungsquelle unnötig. Relais besitzen einen sehr groszügigen Spannungsbereich. Näheres kann man dem entsprechenden Datenblatt entnehmen.

Nimmt man diese Schaltung in Betrieb, leuchtet sofort D2 auf. Da hier das Relais nicht angesteuert wurde, ist der Öffner-Kontakt des Relais geschlossen und es kann ein Strom über die Leuchtdiode D2 fließen, welche diese aufleuchten lässt.

Betätigt man jetzt den Taster, ist ein Klicken zu hören. Die Leuchtdiode D2 erlischt und D3 leuchtet auf. Hier hat das Relais nun angezogen. Der Öffner Kontakt wurde getrennt und Der Schließer-Kontakt betätigt. Nun kann die Leuchtdiode D3 leuchten und der Stromfluss zu D2 wurde unterbrochen. Dieser Zustand bleibt solange erhalten, wie man den Taster festhält.

 

 

Verzögerungsschaltungen

 

 

Benötigt man bei einer Steuerung mal Verzögerungen, so sind diese mit Relais auch sehr leicht zu erreichen.

Wird diese Schaltung in Betrieb genommen, leuchtet, wie bei der letzten Schaltung auch, die LED D2 auf. Wird S1 betätigt, schaltet das Relais, wie gewohnt, auf D3 um. Interessant wird es erst, wenn man den Taster wieder los lässt. Hier schaltet das Relais nicht sofort zurück, sondern erst einen Augenblick später.

Die Ursache hierfür ist im Elko C1 zu suchen, der parallel zur Relais-Spule liegt. Beim betätigen des Tasters wird der Kondensator aufgeladen. Entfällt der Strom über den Taster, kann sich der Elko über die Relaisspule entladen. Vorsorgt diese also noch einen kurzen Moment weiterhin mit Strom, wodurch das Relais angezogen bleibt. Erst wenn die Energie von C1 nicht mehr ausreicht, fällt das Relais ab.

 

 

Auch bei dieser Schaltung leuchtet die Leuchtdiode D2 bei Inbetriebnahme. Das Relais ist also nicht angesteuert. Wird jetzt S1 gedrückt, schaltet Re1 auf D3 um aber nach einen kurzen Augenblick gleich wieder zurück.

Hierfür ist auch wieder C1 verantwortlich. C1 ist im ersten Moment entladen. Beim Druck auf S1 lädt sich der Kondensator auf. Es fließt also ein Strom. Da dieser eben auch durch das Relais fließt, zieht es an und schaltet die LEDs um. Nach einen kurzen Moment, ist der Elko geladen und der Strom reicht nicht mehr aus um den Kontakt des Relais zu halten. Es fällt wieder ab.

R2 sorgt dafür, dass sich der Elko beim los lassen des Tasters, wieder entlädt. Wird hier der Taster nur ganz kurz losgelassen und sofort wieder betätigt, ist die Zeit, die das Relais anzieht viel kürzer oder es zieht gar nicht erst an. Die Ursache liegt darin, das der Elko eine bestimmte Zeit benötigt, sich zu entladen, damit wieder der volle Ladestrom fließen kann. Diese Zeit nennt man übrigens Erholzeit und ist bei Zeitrelais im Datenblatt mit angegeben.

 

 

Ansteuerung durch einen Transistor

 

 

In fast allen Fällen möchte man ein Relais ja nicht mit einem Taster ansteuern, sondern durch eine elektronische Schaltung. Dies ist natürlich auch problemlos möglich, wie in der nebenstehenden Schaltung zu sehen ist. Bei dieser Schaltung geschieht das Gleiche wie bei der ersten Relais-Schaltung. Ein Unterschied gibt es dennoch.

Wie im Schaltplan zu sehen ist, wurde hier parallel zur Relaisspule eine Diode in Sperrichtung geschaltet. Welchen Sinn soll diese haben? Sie leitet doch so nicht.

Diese Diode sollte man aber in dieser Schaltung auf keinen Fall weg lassen. Dies hätte mit ziemlicher Sicherheit den Tod von T1 zur Folge. Warum dies?

Jede Spule hat eine Eigenschaft, die hier für den Transistor sehr gefährlich ist. Spulen erzeugen beim Abschalten einen Spannungsstoß der um ein Vielfaches höher ist als die Betriebsspannung und dazu noch entgegen der ursprünglichen Stromrichtung. Hier kommt nun die Diode ins Spiel. Während diese im normalen Betrieb sperrt ist sie bei der Gegenspannung durch das Relais, auch Selbstinduktionsspannung genannt, in Durchlassrichtung geschaltet und sorgt so dafür, dass der erzeugte Strom des Relais sich schnell abbaut. Der Transistor bekommt von diesem Vorgang nahezu nichts mit und bleibt intakt. Diese Diode wird im Übrigen Freilaufdiode genannt. Die Strombelastung ist nicht sehr relevant. Einfache Kleinsignaldioden reichen für die meisten Relais aus.

Würde D1 fehlen, bekäme T1 einen Spannungsstoss mit einer Höhe die mit ziemlicher Sicherheit erheblich höher liegt als dieser vertragen kann und würde durchschlagen.

Möchte man mehrere Relais durch Elektronikschaltungen ansteuern empfehlen sich so genannte Treiber-Arrays, wie z.B. der ULN2803. Hier ist alles vorhanden was zum Ansteuern von Relais notwendig ist, inklusive Dioden. Wenn man nur wenige Relais benötigt, bietet der Markt Exemplare an, die im Relaisgehäuse auch eine Freilaufdiode untergebracht haben. Hier muss man dann aber auf die Polung der Spule achten.

 

 

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