Elektromagnetisches Relais: Aufbau, Kennzeichnung, Arten + Anschluss- und Einstellungshinweise

Die Umwandlung elektrischer Signale in die entsprechende physikalische Größe – Bewegung, Kraft, Schall usw. – erfolgt mit Hilfe von Stellgliedern. Ein Stellglied ist als Wandler zu klassifizieren, da dieses Gerät einen physikalischen Größen in einen anderen umwandelt.

Ein Stellglied wird in der Regel durch ein niederohmiges Befehlssignal aktiviert oder gesteuert. Je nach Anzahl der stabilen Zustände wird es zusätzlich als binäres oder kontinuierliches Gerät klassifiziert. So ist das elektromagnetische Relais ein binäres Stellglied, da es zwei stabile Zustände hat: ein- und ausgeschaltet.

In dem vorliegenden Artikel werden die Funktionsprinzipien des elektromagnetischen Relais und der Anwendungsbereich der Geräte ausführlich erläutert.

Grundlagen der Ausführung des Stellglieds

Der Begriff „Relais“ ist typisch für Geräte, die über ein Steuersignal eine elektrische Verbindung zwischen zwei oder mehr Punkten herstellen.

Der am weitesten verbreitete und am häufigsten verwendete Typ des elektromagnetischen Relais (EMR) ist die elektromechanische Bauweise.

So sieht eine Konstruktion aus der Vielzahl der als elektromagnetische Relais bezeichneten Produkte aus. Hier ist die geschlossene Variante des Mechanismus mit einer Abdeckung aus transparentem Plexiglas dargestellt.

Das Schema der grundlegenden Steuerung jeder Ausrüstung sieht immer die Möglichkeit des Ein- und Ausschaltens vor. Die einfachste Methode, diese Aktionen durchzuführen, besteht darin, Sperrschalter für die Stromzufuhr zu verwenden.

Handbetätigte Schalter können zur Steuerung verwendet werden, haben jedoch Nachteile. Ihr offensichtlicher Nachteil ist die physische, also manuelle, Einstellung der Zustände „Ein“ oder „Aus“.

Handschaltgeräte sind in der Regel groß, langsamer und können nur kleine Ströme schalten.

Handmechanischer Schalter – ein 'entfernter Verwandter' von elektromagnetischen Relais. Er bietet die gleiche Funktionalität – die Umschaltung von Arbeitsleitungen –, wird jedoch ausschließlich manuell gesteuert.

Elektromagnetische Relais sind dagegen hauptsächlich als elektrisch gesteuerte Schalter vertreten. Die Geräte haben unterschiedliche Formen, Abmessungen und werden nach der Höhe der Nennleistungen unterteilt. Ihre Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig.

Solche Geräte, die mit einem oder mehreren Kontaktpaaren ausgestattet sind, können Teil einer einheitlichen Konstruktion größerer Kraftantriebe – der Schütze – sein, die zur Umschaltung von Netzspannung oder Hochspannungsgeräten verwendet werden.

Grundlegende Funktionsprinzipien des elektromagnetischen Relais

Traditionell werden Relais vom elektromagnetischen Typ in elektrischen (elektronischen) Schaltungssteuerungen eingesetzt. Dabei werden sie entweder direkt auf Leiterplatten oder freistehend montiert.

Allgemeiner Aufbau des Geräts

Die Lastströme der verwendeten Produkte reichen normalerweise von Bruchteilen eines Ampere bis zu 20 A und mehr. Relaisschaltungen sind in der Elektronikpraxis weit verbreitet.

Geräte unterschiedlichster Konfiguration, ausgelegt für die Installation auf elektronischen Montageplatten oder direkt als separat montierbares Gerät.

Die Konstruktion des elektromagnetischen Relais wandelt den durch die angelegte Wechsel-/Gleichspannung erzeugten Magnetfluss in eine mechanische Kraft um. Dank der erzeugten mechanischen Kraft wird die Kontaktgruppe gesteuert.

Die am weitesten verbreitete Konstruktion ist die Form des Produkts, die folgende Komponenten umfasst:

• die Erregerspule;
• den Stahlkern;
• das Trägerchassis;
• die Kontaktgruppe.

Der Stahlkern hat einen festen Teil, das sogenannte Joch, und ein bewegliches gefedertes Teil, den sogenannten Anker.

Im Grunde ergänzt der Anker den Magnetfeldkreis, indem er den Luftspalt zwischen der feststehenden elektrischen Spule und dem beweglichen Anker schließt.

Detaillierte Aufschlüsselung der Konstruktion: 1 – Rückstellfeder; 2 – Metallkern; 3 – Anker; 4 – Ruhekontakt (NC); 5 – Arbeitskontakt (NO); 6 – gemeinsamer Kontakt; 7 – Kupferdrahtspule; 8 – Joch

Die Armatur bewegt sich auf Scharnieren oder dreht sich frei unter der Wirkung des erzeugten Magnetfelds. Dabei werden die an der Armatur befestigten elektrischen Kontakte geschlossen.

In der Regel bringt die zwischen Joch und Anker angeordnete Rückstellfeder (bzw. die Rückstellfedern) die Kontakte in die Ausgangsposition zurück, wenn die Relaisspule stromlos ist.

Wirkungsweise des elektromagnetischen Relaissystems

Die einfache klassische Konstruktion eines EMR hat zwei Gruppen von elektrisch leitenden Kontakten.

Daraus ergeben sich zwei Zustände der Kontaktgruppe:

1. Schließkontakt.
2. Öffnungskontakt.

Entsprechend wird das Kontaktpaar als Schließkontakt (NO) oder als Öffnungskontakt (NC) klassifiziert.

Bei Relais mit Schließkontakt wird der geschlossene Zustand nur erreicht, wenn Erregerstrom durch die Induktionsspule fließt.

Eine der zwei möglichen Standardeinstellungen der Kontaktgruppe. Hier ist im stromlosen Zustand der Spule standardmäßig die Stellung 'geschlossen' (Öffnungskontakt) eingestellt.

In der anderen Variation bleibt die Stellung der Kontakte beim Fehlen des Erregerstroms im Spulenstromkreis geschlossen. Die Schaltkontakte kehren also in ihre normale geschlossene Stellung zurück.

Daher beziehen sich die Begriffe 'Schließkontakt' und 'Öffnungskontakt' auf den Zustand der elektrischen Kontakte, wenn die Relaisspule stromlos ist, d.h. die Versorgungsspannung des Relais abgeschaltet ist.

Elektrische Kontaktgruppen des Relais

Relaiskontakte bestehen üblicherweise aus elektrisch leitenden Metallelementen, die sich gegenseitig berühren und den Stromkreis schließen, ähnlich wie ein einfacher Schalter.

Wenn die Kontakte geöffnet sind, wird der Widerstand zwischen den Schließkontakten mit einem hohen Wert in Megaohm gemessen. So entsteht ein offener Stromkreis, in dem kein Strom durch den Spulenkreis fließen kann.

Die Kontaktgruppe eines jeden elektromechanischen Schalters hat im geöffneten Zustand einen Widerstand von mehreren hundert Megaohm. Dieser Widerstand kann bei verschiedenen Modellen etwas variieren.

Wenn die Kontakte geschlossen sind, sollte der Kontaktwiderstand theoretisch null sein – das Ergebnis eines Kurzschlusses.

Dieser Zustand wird jedoch nicht immer erreicht. Jede einzelne Relaiskontaktgruppe hat einen bestimmten Kontaktwiderstand im geschlossenen Zustand. Ein solcher Widerstand wird als stabiler Widerstand bezeichnet.

Besonderheiten des Laststromflusses

In der Praxis eines neuen elektromagnetischen Relais ist der Einschaltkontaktwiderstand gering, üblicherweise unter 0,2 Ohm.

Die Erklärung ist einfach: Neue Kontaktspitzen bleiben zunächst sauber, aber mit der Zeit wird der Widerstand der Spitzen unweigerlich ansteigen.

Zum Beispiel beträgt bei Kontakten mit einem Strom von 10 A der Spannungsabfall 0,2 x 10 = 2 Volt (Ohmsches Gesetz). Wenn die an die Kontaktgruppe angelegte Versorgungsspannung 12 Volt beträgt, ergibt sich für die Last eine Spannung von 10 Volt (12-2).

Wenn die metallischen Kontaktspitzen verschleißen, da sie nicht ordnungsgemäß vor hohen induktiven oder kapazitiven Lasten geschützt sind, werden Schäden durch Lichtbogeneinwirkung unvermeidlich.

Lichtbogen an einem Kontakt eines elektromechanischen Schaltgeräts. Dies ist eine der Ursachen für Schäden an der Kontaktgruppe bei fehlenden geeigneten Maßnahmen.

Lichtbogen – Funkenbildung an den Kontakten – führt zu einem Anstieg des Kontaktwiderstands der Spitzen und in der Folge zu physischen Schäden.

Wenn das Relais in diesem Zustand weiterverwendet wird, können die Kontaktspitzen ihre physikalische Kontakteigenschaft vollständig verlieren.

Es gibt jedoch einen schwerwiegenderen Faktor: Durch Lichtbogenschäden können die Kontakte letztendlich verschweißen und einen Kurzschluss verursachen.

In solchen Situationen besteht das Risiko einer Beschädigung des Stromkreises, den das EMR steuert.

Wenn der Kontaktwiderstand durch den Einfluss des Lichtbogens um 1 Ohm gestiegen ist, erhöht sich der Spannungsabfall an den Kontakten für denselben Laststrom auf 1×10=10 Volt Gleichstrom.

Hier kann die Höhe des Spannungsabfalls an den Kontakten für die Lastschaltung unannehmbar sein, insbesondere bei Betrieb mit Versorgungsspannungen von 12-24 V.

Art des Kontaktmaterials des Relais

Um die Auswirkungen von Lichtbögen und hohen Widerständen zu verringern, werden die Kontaktspitzen moderner elektromechanischer Relais aus verschiedenen Legierungen auf Silberbasis hergestellt oder damit beschichtet.

Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer der Kontaktgruppe deutlich verlängern.

Spitzen der Kontaktbleche elektromechanischer Schaltgeräte. Hier werden Varianten von mit Silber beschichteten Spitzen gezeigt. Eine derartige Beschichtung verringert den Schadensfaktor.

In der Praxis werden folgende Materialien verwendet, mit denen die Spitzen der Kontaktgruppen von elektromagnetischen (elektromechanischen) Relais behandelt werden:

• Ag – Silber;
• AgCu – Silber-Kupfer;
• AgCdO – Silber-Cadmiumoxid;
• AgW – Silber-Wolfram;
• AgNi – Silber-Nickel;
• AgPd – Silber-Palladium.

Die Verlängerung der Lebensdauer der Spitzen von Relaiskontaktgruppen durch Verringerung der Anzahl von Lichtbogenbildungen wird durch den Anschluss von Widerstands-Kondensator-Filtern, auch RC-Dämpfer genannt, erreicht.

Diese elektronischen Schaltungen werden parallel zu den Kontaktgruppen elektromechanischer Relais geschaltet. Der Spannungsspitze, die im Moment des Öffnens der Kontakte auftritt, wird bei dieser Lösung als sicher kurz angesehen.

Durch den Einsatz von RC-Dämpfern kann der Lichtbogen unterdrückt werden, der an den Kontaktspitzen entsteht.

Typische Ausführung der Kontakte des elektromagnetischen Relais

Neben den klassischen Schließern (NO) und Öffnern (NC) beinhaltet die Mechanik der Relais-Schalttechnik auch eine Klassifizierung nach der Wirkungsweise.

Besonderheiten der Ausführung von Verbindungselementen

Konstruktionen von Relais elektromagnetischer Art erlauben in dieser Variante das Vorhandensein eines oder mehrerer einzelner Schaltkontakte.

So sieht ein Gerät aus, das technologisch für die SPST-Ausführung konfiguriert ist – einpolig und einwegig. Es gibt auch andere Ausführungsvarianten.

Die Ausführung der Kontakte wird durch die folgenden Abkürzungen gekennzeichnet:

• SPST (Single Pole Single Throw) – einpoliger Einweg;
• SPDT (Single Pole Double Throw) – einpoliger Zweiweg;
• DPST (Double Pole Single Throw) – zweipoliger Einweg;
• DPDT (Double Pole Double Throw) – zweipoliger Zweiweg.

Jedes solche Verbindungselement wird als „Pol“ bezeichnet. Jeder von ihnen kann angeschlossen oder getrennt werden, wobei die Relaisspule gleichzeitig aktiviert wird.

Feinheiten der Anwendung der Geräte

Trotz der Einfachheit der Konstruktion von elektromagnetischen Schaltern gibt es einige Feinheiten in der Praxis der Verwendung dieser Geräte.

So empfehlen Fachleute dringend, nicht alle Relaiskontakte parallel zu schalten, um auf diese Weise einen Lastkreis mit hohem Strom zu schalten.

Zum Beispiel eine Last von 10 A durch Parallelschaltung zweier Kontakte zu schalten, die jeweils für einen Strom von 5 A ausgelegt sind.

Diese Montagefeinheiten sind darauf zurückzuführen, dass die Kontakte mechanischer Relais niemals gleichzeitig schließen oder öffnen.

Infolgedessen wird einer der Kontakte auf jeden Fall überlastet. Und selbst unter Berücksichtigung der kurzzeitigen Überlastung ist ein vorzeitiger Ausfall des Geräts bei einer solchen Verbindung unvermeidlich.

Falsche Bedienung sowie Anschluss des Relais außerhalb der festgelegten Montageregeln endet normalerweise mit einem solchen Ergebnis. Im Inneren ist praktisch der gesamte Inhalt ausgebrannt.

Elektromagnetische Produkte dürfen in elektrischen oder elektronischen Schaltungen mit geringem Stromverbrauch als Schalter für relativ hohe Ströme und Spannungen verwendet werden.

Es wird jedoch dringend davon abgeraten, unterschiedliche Lastspannungen über benachbarte Kontakte eines Geräts zu leiten.

Zum Beispiel Spannungen von 220 V Wechselstrom und 24 V Gleichstrom zu schalten. Es sollten immer separate Geräte für jede Variante verwendet werden, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Methoden zum Schutz vor Gegenspannung

Ein wesentliches Bauteil jedes elektromechanischen Relais ist die Spule. Dieses Bauteil gehört zur Kategorie der Lasten mit hoher Induktivität, da es eine Drahtwicklung aufweist.

Jede mit Draht gewickelte Spule hat eine Impedanz, die aus der Induktivität L und dem Widerstand R besteht und somit einen LR-Serienkreis bildet.

Beim Fließen von Strom durch die Spule wird ein externes Magnetfeld erzeugt. Wenn der Strom in der Spule im Modus „Aus“ aufhört zu fließen, steigt der magnetische Fluss (Transformationstheorie) und es entsteht eine hohe Gegenspannung der elektromotorischen Kraft (EMK).

Dieser induzierte Wert der Gegenspannung kann um ein Vielfaches größer sein als die Schaltspannung.

Dementsprechend besteht die Gefahr einer Beschädigung aller Halbleiterkomponenten, die in der Nähe des Relais angeordnet sind, z. B. eines Bipolar- oder Feldeffekttransistors, der zur Spannungsversorgung der Relaisspule verwendet wird.

Schaltungsvarianten, die den Schutz von Halbleitersteuerelementen – Bipolar- und Feldeffekttransistoren, Mikroschaltungen, Mikrocontrollern – gewährleisten

Eine Möglichkeit, eine Beschädigung des Transistors oder eines anderen schaltenden Halbleiterbauteils, einschließlich Mikrocontrollern, zu verhindern, ist der Anschluss einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode im Stromkreis der Relaisspule.

Wenn der Strom, der unmittelbar nach dem Abschalten durch die Spule fließt, eine induzierte Gegenspannung (EMK) erzeugt, öffnet diese Gegenspannung die in Sperrrichtung vorgespannte Diode.

Über den Halbleiter wird die gespeicherte Energie abgebaut, wodurch eine Beschädigung des steuernden Halbleiters – Transistor, Thyristor, Mikrocontroller – verhindert wird.

Der häufig in den Spulenkreis eingefügte Halbleiter wird auch bezeichnet als:

• Freilaufdiode;
• Parallelschaltdiode;
• Inversdiode.

Es besteht jedoch kein großer Unterschied zwischen den Elementen. Alle erfüllen dieselbe Funktion. Neben der Verwendung von in Sperrrichtung vorgespannten Dioden werden auch andere Bauteile zum Schutz von Halbleiterkomponenten eingesetzt.

Dieselben RC-Dämpfungsglieder, Metalloxid-Varistoren (MOV), Zenerdioden.

Kennzeichnung von elektromagnetischen Relaisgeräten

Technische Bezeichnungen, die teilweise Informationen über die Geräte tragen, werden in der Regel direkt auf dem Chassis des elektromagnetischen Schaltgeräts angegeben.

Eine solche Bezeichnung sieht aus wie eine abgekürzte Abkürzung und eine Zahlenkombination.

Jedes elektromechanische Schaltgerät wird traditionell gekennzeichnet. Auf dem Gehäuse oder dem Chassis wird in etwa eine solche Reihe von Zeichen und Zahlen angebracht, die bestimmte Parameter angibt.

Beispiel einer Gehäusekennzeichnung von elektromechanischen Relais:

RES32 RF4.500.335-01

Diese Aufzeichnung wird wie folgt entschlüsselt: Elektromagnetisches Schwachstromrelais, Serie 32, entsprechender Ausführung nach Datenblatt RF4.500.335-01.

Derartige Bezeichnungen sind jedoch selten. Häufiger kommen verkürzte Varianten ohne explizite Angabe von GOST vor:

RES32 335-01

Außerdem werden auf dem Chassis (auf dem Gehäuse) des Geräts das Herstellungsdatum und die Chargennummer vermerkt. Detaillierte Angaben sind im technischen Datenblatt des Produkts enthalten. Jedes Gerät oder jede Charge wird mit einem Datenblatt ausgeliefert.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Das Video erklärt auf verständliche Weise, wie die elektromechanische Schaltelektronik funktioniert. Anschaulich werden die Feinheiten der Konstruktionen, Besonderheiten der Anschlüsse und weitere Details erläutert:

Elektromechanische Relais werden bereits seit langer Zeit als elektronische Bauteile eingesetzt. Allerdings kann diese Art von Schaltgeräten als moralisch veraltet angesehen werden. Mechanische Geräte werden zunehmend durch modernere, rein elektronische Geräte ersetzt. Ein Beispiel dafür sind Halbleiterrelais.

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