Relais

Definition, Aufbau und Schaltzustände

Ein Relais ist ein durch elektrischen Strom betriebener, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Ein Steuerstromkreis aktiviert es; dadurch kann es einen oder mehrere weitere Stromkreise schalten.

Ein mechanisches Relais arbeitet meist elektromagnetisch: Strom durch die Erregerspule erzeugt im ferromagnetischen Kern einen magnetischen Fluss. Dieser zieht über einen Luftspalt einen beweglichen ferromagnetischen Anker an, der die Kontakte betätigt. Wird die Spule stromlos, bringt eine Feder den Anker normalerweise in seine Ausgangslage zurück. Bei einem einfachen Klappanker-Relais ist der Arbeitskontakt in Ruhestellung geöffnet und bei erregter Spule geschlossen.

Ein Schließer oder Arbeitskontakt ist bei stromloser Spule offen und bei angezogenem Anker geschlossen. Ein Öffner oder Ruhekontakt unterbricht dagegen den Stromkreis, wenn das Relais anzieht. Ein Wechsler oder Umschaltkontakt kombiniert Öffner und Schließer. Relais können einen oder mehrere Kontakte besitzen.

Ein Ruhestromrelais ist im normalen Ruhezustand erregt und angezogen, etwa zur Überwachung auf Netzausfall oder Drahtbruch. Das häufigere Arbeitsstromrelais ist im Ruhezustand stromlos. In Schaltplänen werden Relais grundsätzlich im abgefallenen Zustand dargestellt, selbst wenn sie als Ruhestromrelais arbeiten; anders dargestellte Ausnahmezustände müssen besonders gekennzeichnet sein.

Aufgaben sowie Vor- und Nachteile

Relais ermöglichen, mit einem Steuerstromkreis mehrere Laststromkreise gleichzeitig und potentialgetrennt zu schalten. Sie dienen als Schaltverstärker, wenn mit geringer Steuerleistung eine hohe elektrische Leistung geschaltet werden soll. Außerdem schaffen sie eine galvanische Trennung, also eine elektrisch leitungsfreie Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis. Geschlossene Kontakte können sehr kleine Übergangswiderstände besitzen, während der Widerstand im geöffneten Zustand sehr groß ist.

Zu den Vorteilen elektromechanischer Relais gehören Kontaktwiderstände im Milliohmbereich, geringe Kapazität der offenen Schaltstrecke, hohe Einschaltleistung und Überlastbarkeit sowie ein hoher Isolationswiderstand und eine hohe Sperrspannung. Sie benötigen auch bei hohen Lasten keine Kühlung, können sehr kleine Signale ebenso wie hohe Hochfrequenzleistungen schalten und neigen wenig zum Übersprechen. Abhängig von Kontaktwerkstoff und Kurzschlussstrom können sie sogar Kurzschlüsse schalten, ohne ihre Funktion zu verlieren. Der Schaltzustand ist häufig sichtbar; Spule und Hysterese machen Relais zudem relativ störfest.

Nachteile sind die Empfindlichkeit gegen Erschütterungen und Stöße, Schaltgeräusche sowie längere Ansprech- und Abfallzeiten und damit geringere Schaltfrequenzen als bei Halbleiterschaltern. Kontakte und Mechanik verschleißen; Kontaktabbrand, veränderliche Übergangswiderstände und Schaltlichtbögen begrenzen die Lebensdauer. Beim Abschalten der Spule entstehen Selbstinduktionsspannungen, die meist durch eine Schutzbeschaltung begrenzt werden müssen. Wechselstrom wird nicht gezielt im Strom- oder Spannungsnulldurchgang geschaltet. Das Isolationsvermögen hängt außerdem vom Luftdruck beziehungsweise von der Höhe über dem Meeresspiegel ab, sofern das Gehäuse nicht hermetisch dicht ist.

Wichtige Bauarten

Relais werden unter anderem nach Baugröße, Bauform, Einsatzgebiet, Kontaktart, Kontaktmaterial, Schaltleistung und Funktionsprinzip eingeteilt. Ein Relais kann deshalb mehreren Typen zugleich angehören.

Kleinrelais werden überwiegend im Niederspannungsbereich verwendet und häufig als Printrelais auf Leiterplatten montiert. Dazu zählen auch DIL-Relais, Kammrelais und SMD-Miniaturrelais. Ein Schütz ist ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik. Laststrom und Lastspannung können ein Vielfaches der Werte im Spulenkreis betragen. Schütze besitzen meist mehrere gleichartige Kontakte, beispielsweise für Drehstromverbraucher; Hilfsschütze steuern Hauptschütze.

Halbleiterrelais oder Solid-State-Relais (SSR) sind elektronische Bauelemente ohne bewegte Kontakte. Sie arbeiten mit Transistoren, Thyristoren oder Triacs, sind langlebig und eignen sich für hohe Schalthäufigkeiten sowie schwierige Umweltbedingungen. Wechselspannung kann im Nulldurchgang geschaltet werden, um Störimpulse zu vermeiden; andere Varianten schalten im Spannungsscheitel oder sofort. Ein integrierter Optokoppler stellt die galvanische Trennung her. Wegen höherer Verluste im Lastpfad benötigen Leistungsvarianten oft einen Kühlkörper. OptoMOS- oder PhotoMOS-Relais verwenden lastseitig MOSFETs, können Gleich- und Wechselspannungen schalten und arbeiten prell- und verschleißfrei mit Schaltzeiten von einigen Mikrosekunden. Sie sind für kleinere Ströme bestimmt und haben meist einen höheren Widerstand als mechanische Signalrelais. Allgemeine Vorteile der Halbleiterausführung sind geringe Schaltverzögerung, kein Kontaktprellen, kein mechanischer Verschleiß und Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen und Magnetfelder. Nachteile sind höhere Spannungsabfälle bei Leistungsanwendungen sowie eine größere Empfindlichkeit gegen Überlast und Störimpulse.

Bistabile Relais besitzen im stromlosen Zustand zwei stabile Schaltzustände. Energie benötigen sie nur beim Umschalten. Stromstoßrelais wechseln bei jedem Stromimpuls mechanisch verriegelt in den anderen Zustand. Haft- oder Remanenzrelais halten den angezogenen Zustand durch Remanenz, teilweise unterstützt von einem Dauermagneten. Stützrelais werden mechanisch verriegelt. Bei Doppelspulenausführungen erfolgt die Rückschaltung über eine zweite, entgegengesetzt gewickelte Spule; Einspulenausführungen benötigen die entgegengesetzte Spannungspolarität. Solche Relais können Zustände bei Stromausfall speichern und bei lang gleichbleibenden Zuständen Energie sparen.

Bei gepolten Relais ist die Polarität der Erregerspannung festgelegt. Ein Dauermagnet verstärkt das Spulenfeld und senkt dadurch die Anzugsspannung. Auch Relais mit eingebauter Freilaufdiode müssen mit der vorgeschriebenen Polarität angeschlossen werden.

Spezielle Einsatzgebiete und Funktionsprinzipien

Kfz-Relais sind für Stöße und große Temperaturbereiche ausgelegt, arbeiten mit 12 V oder 24 V Bordspannung und können hohe Ströme schalten. Üblich sind 6,3-mm-Flachstecker sowie eingebaute Widerstände oder Dioden zur Begrenzung der Gegeninduktionsspannung. Steckbare, als „Relais“ bezeichnete Fahrzeugbaugruppen enthalten häufig zusätzliche Elektronik oder sind kleine Steuergeräte. Beispiele sind Benzinpumpen-, Blink-, EGR-, Glühzeit-, Scheibenwischer- und Hupenrelais. Das Hupenrelais verhindert etwa, dass ein Arbeitsstrom von bis zu ungefähr 12 A durch die Lenkradtaste fließt. In modernen Fahrzeugen sind viele dieser Aufgaben in zentralen Steuergeräten zusammengefasst.

Fernmelderelais steuerten in elektromechanischen Telefonvermittlungen den Auf- und Abbau von Wählverbindungen. Dazu gehörten Flach-, Rund-, ESK- und Prüfrelais. Wechselstrom kann ein gewöhnliches elektromagnetisches Relais nicht zuverlässig halten, weil sich das Magnetfeld ständig umpolt und beim Nulldurchgang zu schwach wird. Abhilfe schaffen Gleichstromrelais mit Gleichrichter, Phasenrelais mit zwei um etwa 90 Grad phasenverschobenen Wicklungsströmen oder Spaltpolrelais mit Kurzschlusswindung.

Ein Drehspulrelais entspricht einem Drehspulmesswerk mit Permanentmagnet, beweglicher Spule und Rückzugfeder. Bei festgelegten Drehwinkeln werden Kontakte statt eines Zeigers betätigt. Es erfasst prinzipbedingt nur Gleichgrößen und benötigt für Wechselspannungen einen Brückengleichrichter. Verwendet wurde es beispielsweise als Distanzschutzrelais in Energienetzen, um bei überschrittenen Grenzwerten Warn- oder Abschaltkontakte und damit Leistungsschalter auszulösen.

Weitere Typen erfüllen besondere Aufgaben: Bimetallrelais schalten durch die langsame Erwärmung und Verformung eines Bimetallstreifens zeitverzögert. Differenzrelais reagieren auf kleine Stromunterschiede zwischen zwei Wicklungen; dieses Prinzip wird etwa bei Fehlerstrom-Schutzschaltern genutzt. Koax-Relais schalten Hochfrequenzsignale mit definierter Leitungsimpedanz, beispielsweise 50 Ohm. Reed-Relais besitzen einen in Schutzgas eingeschlossenen Kontakt, der zugleich als Magnetanker dient. Signalrelais sind für kleine Ströme und Spannungen ausgelegt, Leistungsrelais für höhere Ströme. Stromrelais haben eine besonders niederohmige Spule und werden zur Stromüberwachung in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet. Zeit-, Impuls-, Wischer- und Überwachungsrelais übernehmen zeitliche Abläufe oder melden die Über- beziehungsweise Unterschreitung festgelegter Messwerte.

Kennwerte, Kontaktbezeichnungen und Schutzschaltungen

Wichtige Spulendaten sind Nennspannung, Arbeitsbereich, Stromart, Spulenstrom oder -widerstand sowie Anzugs- und Abfallspannung. Die Abfallspannung ist kleiner als die Anzugsspannung, sodass ein Relais bei einer unerwarteten niedrigen Fremdspannung angezogen bleiben kann. Kontaktdaten umfassen Kontaktausführung, Schaltstrom, Dauerstrom, Schaltspannung, Kontaktwerkstoff und Kontaktwiderstand. Hinzu kommen Umgebungstemperatur, Prüfspannung zwischen Spulen- und Kontaktkreis, elektrische und mechanische Lebensdauer, Ansprech- und Rückfallzeit, Schaltfrequenz sowie Vibrations- und Stoßfestigkeit.

Für ein typisches 12-V-Kfz-Relais nennt der Artikel beispielsweise einen Arbeitsbereich von 10 bis 16 V DC, 117 mA beziehungsweise 103 Ω Spulendaten, 3 bis 7 V Anzugsspannung und 1,2 bis 4,2 V Abfallspannung. Weitere Beispielwerte sind 100/40 A Schaltstrom, 40 A Dauerstrom, ungefähr 35 V DC bei 10 A Schaltspannung, −40 bis +85 °C Umgebungstemperatur, 500 V AC Prüfspannung, 100.000 elektrische Schaltvorgänge bei 20 °C, 14 V DC und 40 A sowie 1.000.000 mechanische Schaltvorgänge bei 20 °C. Der anfängliche Kontaktwiderstand beträgt 2 mΩ; die typische/maximale Ansprechzeit liegt bei 6,5/15 ms, die Rückfallzeit bei 2/15 ms.

Übliche Anschlusskennzeichnungen sind A1/A2 für die Spule. Bei mehreren Spulen folgen A3/A4 und weitere Paare. Bei Kontakten kennzeichnet die vordere Ziffer das Schaltglied und die hintere seine Art: 11/12 bis 91/92 stehen für Öffner, 13/14 bis 93/94 für Schließer. So bezeichnet 53/54 das fünfte Schaltglied als Schließer. Da Varianten und Normen nicht vollständig einheitlich sind, ist das Herstellerdatenblatt maßgeblich.

Englische Kurzzeichen beschreiben Polzahl, Schaltstellungen und Ruhezustand. NC bedeutet „Normally Closed“, also Ruhekontakt; NO bedeutet „Normally Open“, also Arbeitskontakt; CO bedeutet „Change Over“, also Wechselkontakt. SPST NO ist ein einpoliger Schalter mit Arbeitskontakt, SPDT ein einpoliger Umschalter, DPST NO ein zweipoliger Einschalter und DPDT ein zweipoliger Umschalter.

Beim Schalten einer Relaisspule mit einem Transistor erzeugt die Selbstinduktion beim Abschalten eine hohe Spannung entgegengesetzter Polarität, die den Transistor zerstören kann. Eine Freilaufdiode begrenzt diese Spannung auf ihre Vorwärtsspannung, verzögert jedoch den Abbau des Magnetfeldes und damit das Abschalten. Eine zusätzliche Zenerdiode, deren Zenerspannung ungefähr der Relais-Nennspannung entsprechen sollte, beschleunigt den Feldabbau; die Transistor-Sperrspannung muss dann größer als Betriebsspannung plus Zenerspannung sein. Alternativen sind Schutzwiderstände oder ein angepasstes RC-Glied, auch Snubber genannt.

Entwicklung und historische Bedeutung

Das Relais wurde 1835 während der Entwicklung der elektromagnetischen Telegraphie erfunden und erhielt 1844 seinen Namen. In Telegraphenleitungen musste es ungefähr alle 30 km eingefügt werden, um schwache Signale zu regenerieren. Dadurch konnten elektrische Impulse über große Entfernungen übertragen werden.

William Sturgeon veröffentlichte 1825 den Elektromagneten mit Spule, Anschlüssen und Eisenkern. Joseph Henry baute 1831 einen elektromagnetischen Telegraphen und setzte 1835 als Erster ein Relais mit elektrischen Arbeitskontakten ein: Ein schwacher, über große Entfernung steuerbarer Elektromagnet schaltete einen stärkeren zweiten Stromkreis. Samuel Morse verbesserte das Relais für schwächere Impulse und verwendete es als Signalverstärker. Bei der Telegraphendemonstration zwischen Washington und Baltimore 1844 erhielt das Gerät nach den Relaisstationen der Post seinen Namen.

Die Teilnehmerselbstwahl in Telefonnetzen führte Ende des 19. Jahrhunderts zu einer starken Verbreitung. Deutschlands erste Selbstwähleinrichtung nahm am 10. Juli 1908 in Hildesheim mit 900 Teilnehmern den Ortsbetrieb auf. Ab 1923 wurde der nationale Fernsprechverkehr schrittweise automatisiert, wofür sehr viele Relais erforderlich waren.

Relais waren auch für die frühe Computertechnik wichtig. Konrad Zuses 1941 fertiggestellte Z3 verwendete 2.000 Relais für Rechenwerk und Speicher. Bereits Mitte der 1940er Jahre wurden Relais in Computern weitgehend durch Elektronenröhren ersetzt; später übernahmen Transistoren und integrierte Schaltkreise ihre Funktion.