Elektromechanisches Relais

Relaistechnik umfasst:
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Ein elektrisches Relais ist ein elektromagnetisch betriebener elektrischer Schalter – ein elektromechanischer Schalter. Ein relativ kleiner Strom wird verwendet, um ein Magnetfeld in einer Spule innerhalb eines Magnetkerns zu erzeugen, und dieses wird verwendet, um einen Schalter zu betätigen, der einen viel größeren Strom steuern kann.

Auf diese Weise kann ein elektromechanisches Relais oder ein elektrisches Relais einen kleinen Strom verwenden, um einen viel größeren Strom zu schalten, und es ermöglichen, dass beide Stromkreise elektrisch voneinander isoliert sind.

Elektrische Relais gibt es in einer Vielzahl von verschiedenen Größen, und sie können aus einer Vielzahl von verschiedenen Typen bestehen, die leicht unterschiedliche Technologien verwenden, obwohl sie alle das gleiche Grundkonzept verwenden.

Elektromechanische Relais können in mancher Hinsicht als veraltete Technologie betrachtet werden, während Halbleiterrelais / Halbleiterschalter als effektivere Mittel zum Schalten von elektrischem Strom angesehen werden können.

Allerdings haben elektromechanische Relais einige einzigartige Eigenschaften, die sie ideal für viele Anwendungen machen, bei denen andere Typen nicht so effektiv sind. Dennoch sind Festkörperschalter, Halbleiterrelais oder elektronische Schalter weit verbreitet und haben in vielen Bereichen, in denen früher elektromechanische Relais als elektrische Schalter verwendet wurden, die Nachfolge angetreten.

Relais-Schaltsymbol

Die Schaltsymbole für elektromechanische Relais können – wie die meisten Schaltsymbole – etwas variieren. Das am weitesten verbreitete Format zeigt die Relaisspule als Kästchen, und die Kontakte sind in der Nähe angeordnet, wie unten gezeigt.

Andere Schaltungen, insbesondere neue, die vielleicht schon etwas älter sind, zeigen die Relaisspule als echte Spule. Obwohl dies nicht den neuesten Standards für Relaisschaltungen entspricht, ist es dennoch in einigen Fällen zu sehen und beschreibt das Innere des Relais gut.

Es ist möglich, dass es weitere Sätze von elektrischen Schaltkontakten gibt. Genauso wie es möglich ist, mehrere Pole an einem Schalter zu haben, kann man das auch mit Relais machen. Es ist möglich, mehrere Sätze von Schaltkontakten zu haben, um mehrere Stromkreise umzuschalten.

Grundlagen des Relaisschalters

Ein Relais ist eine Art elektrischer Schalter, der durch einen Elektromagneten betätigt wird, der die Schaltung umschaltet, wenn Strom an die Spule angelegt wird.

Diese Relais können durch Schaltkreise betrieben werden, bei denen der Schalter den hohen Strom des elektrischen Relais nicht aufnehmen kann, oder sie können durch elektronische Schaltungen usw. betrieben werden. In beiden Fällen bieten sie eine sehr einfache und attraktive Möglichkeit zum elektrischen Schalten.

Relais bestehen aus einer Reihe von Grundteilen, die das Relais bilden.

• Rahmen: Ein mechanischer Rahmen ist erforderlich, um die Komponenten an ihrem Platz zu halten. Dieser Rahmen ist in der Regel recht robust, damit er die zusätzlichen Elemente des elektromechanischen Relais ohne Relativbewegung fest tragen kann.
• Spule: Zur Verstärkung der magnetischen Anziehungskraft wird eine um einen Eisenkern gewickelte Spule benötigt. Die Drahtspule bewirkt, dass ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, wenn der Strom eingeschaltet wird, und dass der Anker angezogen wird.
• Anker: Dies ist der bewegliche Teil des Relais. Dieses Element des Relais öffnet und schließt die Kontakte, und es hat ein ferromagnetisches Metall, das vom Elektromagneten angezogen wird. Die Baugruppe ist mit einer Feder versehen, die den Anker in seine ursprüngliche Position zurückbringt.
• Kontakte: Die Kontakte werden durch die Bewegung des Ankers betätigt. Einige der elektrischen Schaltkontakte können den Stromkreis schließen, wenn das Relais aktiviert wird, während andere einen Stromkreis öffnen können. Sie werden als Schließer und Öffner bezeichnet.

Die Konstruktion von Relais umfasst eine Reihe von Aspekten. Ein Schlüsselelement des Entwurfs ist es, den erforderlichen magnetischen Fluss zu erhalten, um den Anker ausreichend schnell anzuziehen, ohne übermäßig viel Strom zu verbrauchen. Außerdem muss sichergestellt werden, dass das Relais schnell öffnen kann, sobald der Erregerstrom entfernt wird. Die magnetische Retention in den Materialien muss gering sein.

Wenn ein Strom durch die Spule fließt, baut sich ein elektromagnetisches Feld auf. Das Feld zieht einen Eisenanker an, dessen anderes Ende die Kontakte zusammenschiebt und so den Stromkreis schließt. Wenn der Strom abgeschaltet wird, öffnen sich die Kontakte wieder und schalten den Stromkreis aus.

Bei der Spezifikation elektromechanischer Relais wird man feststellen, dass die elektrischen Schaltkontakte in einer Vielzahl von Formaten erhältlich sind. Wie gewöhnliche elektrische Schalter werden elektromechanische Relais in Bezug auf Unterbrechungen, Pole und Auslöser definiert, die das Gerät hat.

• Unterbrechung: Während viele der Begriffe, die für elektromechanische Relais verwendet werden, auch für elektrische Schalter mit geringer Leistung gelten, ist dieser Begriff eher auf Schalter mit höherer Leistung anwendbar. Es handelt sich um die Anzahl der getrennten Stellen oder Kontakte, an denen ein Schalter verwendet wird, um einen einzelnen Stromkreis zu öffnen oder zu schließen.
  Alle Relais sind entweder einfach oder doppelt unterbrechend. Ein Einfachunterbrecher, SB-Kontakt, unterbricht einen Stromkreis an nur einer Stelle. Ein Doppelöffner, DB-Kontakt, unterbricht den Stromkreis an zwei Stellen, wie der Name schon sagt.
  Einfach unterbrechende Kontakte werden in der Regel zum Schalten von Geräten mit geringer Leistung verwendet, z. B. für elektronische Schaltungen oder elektrische Schaltanwendungen mit geringer Leistung. Doppelunterbrecherkontakte werden für das elektrische Schalten von Geräten mit hoher Leistung verwendet. Wenn einer der Kontakte klemmt, dann schaltet der andere wahrscheinlich immer noch und unterbricht den Stromkreis.
• Pole: Die Anzahl der Pole, die ein elektrischer Schalter besitzt, ist die Anzahl der verschiedenen Sätze von Schaltkontakten, die er hat. Ein einpoliger Schalter kann nur einen Stromkreis schalten, während ein zweipoliger Schalter zwei verschiedene und isolierte Stromkreise gleichzeitig schalten kann. Ein einpoliger Schalter wird oft mit den Buchstaben SP bezeichnet, ein zweipoliger mit DP. Relais können einen, zwei oder mehr Pole haben.
• Auslöser: Die Anzahl der Auslöser bei einem elektrischen Schalter ist die Anzahl der verfügbaren Positionen. Bei einem elektromechanischen Relais gibt es normalerweise nur einen oder zwei Auslöser. Ein einpoliges Relais schließt und unterbricht einen Stromkreis, während ein zweipoliges Relais als Umschalter fungiert, der eine Verbindung von einem Endpunkt zu einem anderen leitet. Ein- und Umschaltrelais werden oft mit den Buchstaben ST und DT bezeichnet.

In einer Spezifikation für ein elektrisches Relais kann zum Beispiel ein einpoliges, einseitig auslösendes Relais angegeben sein: SPST, oder ein Relais kann als Double Pole Single Throw beschrieben werden: DPST, usw. Diese Bezeichnungen geben die Anzahl der Sätze von Schaltkontakten an und ob es sich um einen Öffner/Schließer oder eine Umschaltfunktion handelt.

Elektromechanische Relaiskontakte

Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten und die Lebensdauer des Relais zu maximieren, werden verschiedene Materialien für die Kontakte verwendet. Bei den Kontakten werden verschiedene Materialien verwendet, um sicherzustellen, dass sie für den vorgesehenen Einsatzzweck gut funktionieren.

Eines der Probleme, die bei den Kontakten auftreten, ist das Auftreten von Lochfraß – typischerweise sammelt sich Material in der Mitte eines Kontakts an, während am anderen Kontakt Material verloren geht, wodurch ein „Loch“ entsteht. Dies ist eine der Hauptursachen für das Versagen von Kontakten und tritt vor allem dort auf, wo Funken erzeugt werden.

Bei verschiedenen Relais werden je nach Anwendung und geforderter Leistung unterschiedliche Arten von Materialien für die Schaltkontakte verwendet. Es gibt viele fertige Materialien, die verwendet werden können, einige der am häufigsten verwendeten sind unten mit ihren Eigenschaften aufgeführt.

• Silber: In vielerlei Hinsicht ist Silber eines der besten Allzweckmaterialien für Relaiskontakte mit einem hohen Grad an Leitfähigkeit. Es unterliegt jedoch einem Sulfidierungsprozess, der natürlich von der Atmosphäre abhängt, in der das Relais betrieben wird – in städtischen Gebieten ist er viel höher. Dieser Prozess führt zu einem dünnen Film auf der Oberfläche mit verringerter Leitfähigkeit, der jedoch durch eine höhere Kontaktbelastung beim Schließen des Relaiskontakts durchbrochen werden kann. Der Film kann auch zu einer Grenzflächenspannung von einigen Zehntel Volt führen, die die Leistung bei einigen Anwendungen beeinträchtigen kann
• Silber-Nickel: Diese Art von Kontakt wurde entwickelt, um die Auswirkungen von Lochfraß zu verringern. Der Silberkontakt ist mit Nickel legiert, um ihm eine feine Kornstruktur zu verleihen. Dadurch erfolgt der Materialtransfer gleichmäßiger über die gesamte Oberfläche des Kontakts, was zu einer längeren Lebensdauer führt.
• Silber-Cadmium-Oxid: Kontakte aus Silbercadmiumoxid können die sehr hohe Leitfähigkeit von Feinsilberkontakten nicht erreichen, bieten aber eine höhere Beständigkeit gegen Materialübertragung und Kontaktverlust durch Lichtbogenbildung. Das bedeutet, dass diese Kontakte in der Regel länger halten als ein Silberkontakt unter den gleichen Bedingungen.
• Gold: Die hohe Leitfähigkeit und die Tatsache, dass es nicht oxidiert, bedeutet, dass Gold ideal für viele Schaltanwendungen ist. Es wird nur für Schwachstromschaltungen verwendet, da es nicht besonders robust ist. Typischerweise wird Goldflashing verwendet, um die Kosten zu senken, und aufgrund des geringen Sulfidierungsgrades bleiben die Kontakte über lange Zeiträume in gutem Zustand. Ein Problem bei Relais besteht darin, dass der Kontaktwiderstand zunehmen kann, wenn sie eine Zeit lang nicht benutzt werden – dies ist bei Gold nicht der Fall.
• Wolfram: Wolfram wird in Relais verwendet, die für Hochspannungsanwendungen bestimmt sind. Mit einem hohen Schmelzpunkt von über 3380°C hat es eine ausgezeichnete Lichtbogen-Erosionsbeständigkeit, die für diese Art von Schaltungen erforderlich ist.
• Quecksilber: Quecksilber wird in einem speziellen Typ von Reed-Relais verwendet, dem quecksilberbenetzten Reed-Relais. Es hat eine gute elektrische Leitfähigkeit, und da es eine Flüssigkeit ist, gibt es keine Grübchenbildung, die durch die Übertragung von Material zwischen den Kontakten verursacht wird. Nach dem Öffnen der Schaltkontakte kehrt das Quecksilber in den für diese Art von Relais erforderlichen Quecksilberpool zurück, und neues Quecksilber wird für den nächsten Schaltvorgang verwendet. Durch diesen Vorgang wird die Wirkung eines Materialtransfers während des Schaltvorgangs aufgehoben.

Obwohl viele verschiedene Arten von Materialien und Legierungen verwendet werden, handelt es sich hierbei um die meisten der üblicherweise verwendeten Kontaktmaterialien und -oberflächen.

Einschaltstrombegrenzung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit

Eines der Hauptprobleme bei elektrischen Schaltsystemen – sowohl bei elektromechanischen Relais als auch bei Halbleiterschaltern – ist der Einschaltstrom.

Es gibt viele Beispiele dafür, wie groß die Einschaltstromstärke sein kann. Eine einfache Haushaltsglühbirne veranschaulicht diesen Punkt gut. Im kalten Zustand hat der Glühfaden einen geringen Widerstand, und erst wenn sich die Lampe erwärmt, nimmt der Widerstand ab. In der Regel kann der Einschaltstrom beim Einschalten das Zehn- bis Fünfzehnfache des Ruhestroms betragen. Auch wenn heute in der Regel Festkörperlampen verwendet werden, dient dieses Beispiel zur Veranschaulichung des Sachverhalts.

Induktive Lasten wie Motoren und Transformatoren, die oft durch elektromechanische Relais geschaltet werden, haben einen sehr hohen Einschaltstrom. Oft kann der Einschaltstrom leicht das Zehnfache des Dauerstroms betragen, so dass die Kontakte entsprechend ausgelegt werden müssen.

In vielen Bereichen wird ein Zuschlag zur Berücksichtigung des Einschaltstroms gewährt. Es wird ein Faktor verwendet, mit dem der Dauerstrom multipliziert wird, um die Kontaktleistung zu ermitteln. Eine Tabelle mit typischen Multiplikationsfaktoren ist unten angegeben.

Übliche Multiplikatoren zur Berücksichtigung des Einschaltstroms bei Relais
Zu schaltende Last	Multiplikator
Leuchtstofflampen (AC)	10
Glühbirnen	6
Motoren	6
Widerstandsheizungen	1
Transformatoren	20

Daher ist die folgende Tabelle zu verwenden, Wenn Leuchtstoffröhren geschaltet werden sollen, die normalerweise 1 A verbrauchen, sollten die Relaiskontakte mit 20 A ausgelegt werden.

Ein weiteres Problem tritt auf, wenn der Stromkreis unterbrochen wird. Die von der induktiven Last erzeugte Gegen-EMK kann leicht zu Funkenbildung führen, die die Relaiskontakte schnell zerstören kann.

Methoden wie der Einbau von Einschaltstrombegrenzern an der Last, bei denen es sich häufig um Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten handelt, können dazu beitragen, den Einschaltstrom zu begrenzen, und Überspannungsschutzvorrichtungen können helfen, die Gegen-EMK zu begrenzen.

Relaislebensdauer

Eine der wichtigsten Fragen im Zusammenhang mit elektromechanischen Relais ist die der Kontaktlebensdauer. Im Gegensatz zu Halbleiterrelais und elektronischen Schaltern nutzen sich die mechanischen Kontakte beim Schalten ab und haben eine begrenzte Lebensdauer.

Für die Lebensdauer elektromechanischer Relais gibt es zwei Angaben:

• Elektrische Lebensdauer: Die elektrische Lebenserwartung ist die Anzahl der Schalthandlungen, die durchgeführt werden, während die Schaltung, d.h. die Kontakte, das erforderliche Maß an Leitfähigkeit aufweisen. Sie hängt sehr stark von der Anwendung ab, wie z. B. Einschaltstrom und Lichtbögen, die durch Gegen-EMF usw. entstehen. Viele Leistungsrelais haben eine elektrische Lebenserwartung von möglicherweise 100 000 Schaltspielen, obwohl dies, wie erwähnt, stark von der zu schaltenden Last abhängt.
• Mechanische Lebenserwartung: Die mechanische Lebenserwartung bezieht sich auf die mechanischen Aspekte des Relais. Sie ist die Anzahl der mechanischen Schaltvorgänge, die unabhängig von der elektrischen Leistung durchgeführt werden können. Oft beträgt die mechanische Lebensdauer eines Relais etwa 10 000 000 Schaltspiele oder sogar viel mehr.

Das Ende der Lebensdauer der Kontakte tritt im Allgemeinen ein, wenn die Kontakte verkleben oder verschweißen oder wenn die Lichtbogenbildung usw. zu Kontaktverbrennungen und Materialübertragungen geführt hat, so dass kein ausreichender Kontaktwiderstand mehr erreicht werden kann. Die Bedingungen hierfür hängen von dem Relais und seiner Anwendung ab. Sie werden normalerweise im Datenblatt des Relais definiert.

Vor- und Nachteile von Relais

Wie bei jeder Technologie gibt es Vor- und Nachteile beim Einsatz von elektromechanischen Relais. Bei der Entwicklung von Schaltungen muss man die Vor- und Nachteile abwägen, um die richtige Technologie für die jeweilige Schaltung zu wählen.

Eine weitere Option, die in Betracht gezogen werden kann, wenn eine elektrische Isolierung zwischen zwei Stromkreisen erforderlich ist, kann ein Opto-Isolator sein. Diese Opto-Isolatoren werden häufig in Halbleiterschalter eingebaut, die oft auch als Halbleiterrelais bezeichnet werden, so dass ein hohes Maß an Isolierung erreicht wird. Die Verwendung von Opto-Isolatoren in Halbleiterschaltern / Halbleiterrelais sorgt für eine vollständige Isolierung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsstromkreis.

Elektromechanische Relais werden seit vielen Jahren als elektrische Schalter verwendet, und die Technologie ist gut etabliert. Diese elektromechanischen oder elektrischen Relais vertragen einen gewissen Missbrauch und sind normalerweise relativ unempfindlich gegenüber transienten Spannungsstößen oder -spitzen. In dieser Hinsicht sind sie besser als Halbleiterschalter / Halbleiterrelais und obwohl sie schneller verschleißen, vor allem, wenn sie induktive Lasten schalten, müssen sie Einschaltüberspannungen in ihren Lasten tolerieren.

Da Halbleiterrelais und -schalter jetzt auf dem Markt sind und ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bieten, müssen die Optionen elektromechanischer Relais gegenüber Halbleiterrelais sorgfältig abgewogen werden. In einigen Fällen werden ältere Relais durch Festkörperrelais ersetzt, aber in anderen Fällen können elektromechanische Relais die beste Option sein..

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