Das Relais

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Ein Relais ist nichts weiter als ein durch elektrischen Strom betriebener, fernbetätigter Schalter, der auf mechanischer Basis arbeitet. Sie werden zum Ein-, Aus- oder Umschalten von Stromkreisen verwendet. Das elektromechanische Relais (auch Stromstoßschalter) arbeitet meist nach dem Prinzip eines 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.

Funktionsweise eines Relais
Funktionsweise eines Relais

Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann über seinen Arbeitskontakt weitere Stromkreise schalten. Die Arbeitskontakte können unterschiedliche Funktionen aufweisen:

  • Schließer (Normally Open, NO): Der Schließer ist im Ruhezustand geöffnet. Erst wenn im Steuerstromkreis ein Strom fließt, schließt sich der Arbeitskontakt.
  • Öffner (Normally Closed, NC): Der Öffner ist im Ruhezustand geschlossen. Erst wenn im Steuerstromkreis ein Strom fließt, dann öffnet sich der Arbeitskontakt.
  • Wechsler (Change Over, CO): Ein Relais mit Wechselkontakten hat einen Arbeitskontakt mit einem Schließer und einen Arbeitskontakt mit einem Öffner. Wenn ein Strom im Steuerstromkreis fließt, dann wechselt der jeweilige Arbeitskontakt von geschlossen zu geöffnet beziehungsweise von geöffnet zu geschlossen.

Vorteile

Statt Relais setzt man heute bevorzugt Halbleiter oder Halbleiterschaltungen ein. Doch es gibt durchaus gute Gründe, warum elektromechanische Relais auch heute noch eingesetzt werden:

  • Relais sind trotz steigender Rohstoffpreise nach wie vor sehr preiswert.
  • Sie lassen sich einfach in Schaltungen integrieren.
  • Sie vertragen Spannungs- und Stromspitzen.
  • Relais bieten eine potentialfreie Trennung von Steuerungs- und Laststromkreis.

Nachteile

Den Vorteilen des Relais, insbesondere seine Unempfindlichkeit gegenüber Spannungs- und Stromspitzen sowie die Abkopplung der beiden Stromkreise (Leistung und Signal), stehen jedoch auch einige Nachteile gegenüber:

  • Relais sind gegenüber Erschütterungen und Stößen empfindlich.
  • Beim Schaltvorgang kommt es zu hörbaren Geräuschentwicklungen.
  • Elektromechanische Relais gehören zu den langsamen Schaltmechanismen.
  • Durch die mechanische und elektrische Bauweise kommt es zu Verschleißerscheinungen, die sich auf die Lebensdauer eines Relais auswirken.
Vorteile und Nachteile von Relais
Vorteile und Nachteile von Relais

Kenn- und Grenzwerte

Bei Beschreibungen von Relais werden in der Regel zahlreiche Kenn- und Grenzwerte angegeben:

  • Nennspannung (U): Betriebsspannung der Spule.
  • Haltestrom (Ih): Dies ist der geringste Strom, in dem das angesprochene Relais seinen Anker sicher hält.
  • Ansprechstrom (Ian): Dies ist der geringste Strom, mit dem das Relais sicher anzieht.
  • Betriebsstrom (Ib): Dies ist der Ansprechstrom mit Sicherheitszuschlag.
  • Fehlstrom (If): Dies ist der höchste Strom, bei dem das Relais noch nicht anspricht (etwas unter dem Ansprechstrom).
  • Abfallstrom (Iab): Dies ist der höchste Strom, bei dem das angesprochene Relais sicher abfällt.

Wer ein Relais kauft, muss seine Wahl nach der Nennspannung ausrichten, mit der das Relais innerhalb der Schaltung arbeiten soll. Wird ein Relais mit einer geringeren Spannung als der Nennspannung betrieben, führt dies dazu, dass sich die Kontakte langsamer öffnen und schließen. Weil es beim Schließen und insbesondere beim Öffnen zu Abrissfunken an den Relaiskontakten kommt, könnte es bei geringerer Nennspannung und dem dadurch bedingten Schließen und Öffnen der Kontakte zu deutlich stärkerer Funkenbildung kommen.

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Relaistypen

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.

Die wichtigsten Typen sind:

Kleinrelais – Sie werden vorwiegend im Niederspannungsbereich eingesetzt und sind für den Einbau auf Leiterplatten vorgesehen.

Das Schütz ist ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik. Die Stromstärke und elektrische Spannung im Laststromkreis können um ein Vielfaches größer als in der Spule sein.

Halbleiterrelais sind keine mechanischen Relais, sondern elektronische Bauelemente, die ohne bewegte Kontakte schalten. Sie werden mit Transistoren oder Thyristoren realisiert und sind sehr langlebig.

Halbleiterrelais © tonguy324, stock.adobe.com
Halbleiterrelais © tonguy324, stock.adobe.com

So genannte OptoMOS- oder PhotoMOS-Relais arbeiten steuerungsseitig mit einer Infrarot-LED und besitzen lastseitig im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Halbleiterrelais keine Thyristoren, sondern MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), mit denen sie Gleich- und Wechselspannungen schalten können. Sie können jedoch nur kleine Ströme schalten.

Bistabile Relais sind gekennzeichnet durch ihre Eigenschaft, dass sie im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Schaltzustände einnehmen können. Der Vorteil dieser Bauform ist, dass ein bistabiles Relais nur während der Umschaltphase kurzzeitig Energie benötigt und in den beiden stabilen Zuständen, welche beliebig lange dauern können, kein weiterer Energieverbrauch erfolgt.

Zu den bistabilen Relais gehören:

Stromstoßrelais, in der Elektroinstallation auch als Stromstoßschalter bezeichnet, schalten bei einem Stromimpuls in den jeweils anderen Schaltzustand um und behalten diesen bis zum nächsten Impuls bei (bistabil).

Haftrelais oder Remanenzrelais bleiben nach Abschalten des Erregerstroms weiterhin im angezogenen Zustand. Zum Umschalten in den anderen Schaltzustand ist entweder an einer zweiten Wicklung mit umgekehrtem Wicklungssinn eine Spannung gleicher Polarität anzulegen (Doppelspulenrelais), oder bei nur einer Wicklung eine Spannung an diese mit entgegengesetzter Polarität.

Stützrelais werden mechanisch in der angesteuerten Position verriegelt. Zum Umschalten in den anderen Schaltzustand ist entweder an einer zweiten Wicklung mit umgekehrtem Wicklungssinn eine Spannung gleicher Polarität anzulegen (Doppelspulenrelais), oder bei nur einer Wicklung eine Spannung an diese mit entgegengesetzter Polarität. Stützrelais werden häufig zur Speicherung von Zuständen auch bei Stromausfällen sowie zum Stromsparen bei lange unveränderten Schaltvorgängen eingesetzt.

Da elektromagnetische Relais nicht ohne weiteres mit Wechselspannung betrieben werden können, da das Magnetfeld, das den Anker halten soll, sich dauernd umpolt und daher zwischenzeitlich zu schwach beziehungsweise sogar Null ist. Der Anker zieht zwar in der Regel bei Spannungen mit Netzfrequenz an, klappert aber und ein präzises Schalten der Kontakte ist nicht sichergestellt. Aus diesem Grund werden Wechselstromrelais eingesetzt.

Wichtige Relaistypen in der Übersicht
Wichtige Relaistypen in der Übersicht

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Einsatzgebiet in der Elektroinstallation

In der Elektroinstallation werden in der Regel Stromstoßrelais verwendet. Sie werden dort eingesetzt, wo elektrische Betriebsmittel wie Leuchten von mehr als drei Schaltstellen ein- oder ausgeschaltet werden sollen. Eine typische Anwendung ist das Ein- und Ausschalten der Beleuchtung in Treppenhäusern oder langen Fluren. Als Schalter werden dabei Taster eingesetzt.

Der Taster ist ein Kippschalter mit einer Wippe, die nach Betätigung sofort wieder in ihre Ausgangsstellung zurückkehrt. Mit Betätigung des Tasters bekommt das Relais seinen Steuerimpuls und schaltet über den Laststromkreis die Beleuchtung ein oder aus.

Stromlaufplan einer Relaisschaltung

Das Relais wird in der Regel in der Unterverteilung installiert. Vorteil der Relaisschaltung: Die Bedienung kann von beliebig vielen Tastern aus erfolgen. Der Strom wird nicht über die Bedienstellen, sondern auf kurzem Weg direkt zur Leuchte geführt.

Achtung: Elektroinstallation ist für Laien tabu! Die Elektroinstallation gehört zu den sogenannten „gefahrengeneigten Handwerken“ die laut Handwerksordnung (HwO) nur von Unternehmen ausgeübt werden dürfen, die gemäß §1 Abs. 1 der HwO in die Handwerksrolle eingetragen sind, also Elektrofachfirmen. Für Laien sind Arbeiten an der Elektroinstallation tabu! Grundlage dafür ist §13 Abs. 2 Satz 4 der „Niederspannungsverordnung“ (NAV) sowie die DIN VDE 0100-1000. Dieses Verbot gilt für die gesamte Hauselektrik.

Schaltplan einer Relaisschaltung

Die Steuerung des Relais erfolgt über die Taster. Der Anschluss der Taster erfolgt deshalb über die Steuerstromleitung (schwarz) auf die Klemme L. Der zum Relais führende Steuerdraht (grau) gibt dem Relais den Schaltimpuls und kommt unter die Klemme mit dem Pfeil. In der Regel sollte es so sein, dass die Wippe des Tasters bei Betätigung nach unten gedrückt werden muss.

Zum Betrieb des Relais wird die Steuerleitung (grau) auf die Klemme 1 geführt (die Klemmenbezeichnungen können je nach Hersteller differieren!). In die Klemme 2 kommt der Neutralleiter (blau). Da für die gesamten Steuerleitungen dünnere Querschnitte verwendet werden dürfen, können Installationskosten verringert werden.

Um die Leuchten ein- und auszuschalten, wird der sogenannte Laststrom (schwarzer Draht) auf die Klemme A1 geführt (auch hier gilt: die Klemmenbezeichnungen können je nach Hersteller differieren!). Unter die Klemme A2 kommt dann der Leiter (brauner Draht), der zur Leuchte führt.

Lichtschaltung mittels Stromstoßrelais und Taster
Lichtschaltung mittels Stromstoßrelais und Taster
Schaltplan Serienschaltung © Heinz Kerp
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