Elektromagnetisches Relais

Einleitung

Relais finden sich in fast jeder Maschine, die über ein elektrisches System verfügt.

Von Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen und Kühlschränken bis hin zu industriellen Anwendungen wie Kraftstoffpumpen, Motorsteuerungen und vielem mehr. Relais werden verwendet, um Hochspannungs- und Hochstromgeräte zu steuern.

In diesem Artikel werden wir uns eingehend damit befassen elektromagnetische Relais, ihr Funktionsprinzip, ihre Eigenschaften und die Art der Relais, die in industriellen Automatisierungsanwendungen zu finden sind.

Was ist ein elektromagnetisches Relais?

Ein elektromagnetisches Relais ist ein Schaltgerät, das einen Magneten verwendet, um den Schalter ein- oder auszuschalten. Sie gehören zur Kategorie der elektromechanische Geräte. 

Elektromechanische Geräte verwenden physikalische Kontakte zum Schalten der Ausgänge. Aufgrund der Bewegungen im Inneren des Schalters haben sie während des Betriebs ein charakteristisches „tickendes“ Geräusch.

Relais werden verwendet, um eine größere elektrische Last mit einem kleinen Eingangssignal zu steuern. Zum Beispiel kann die Eingabe von einem kleinen Druckknopf ein Relais aktivieren und dadurch einen großen Induktionsmotor steuern; wo der Taster allein nicht ausreicht, um den Motor direkt ein-/auszuschalten.

Ein Relais besteht im Wesentlichen aus einer Spule und einem Satz federgelagerter beweglicher Kontakte. Je nach Aufbau und Funktionsweise gibt es mehrere Arten von Relais. Schauen wir uns die grundlegende Funktionalität eines elektromagnetischen Relais an.

Wie funktionieren elektromagnetische Relais?

Es gibt viele Arten von Relais. Schauen wir uns wegen der Einfachheit der Konstruktion die an angezogenes Ankerrelais und wie es funktioniert. Das folgende Diagramm zeigt den typischen Aufbau eines solchen Relais, das eine einpolige Doppelhubkonfiguration (SPDT) hat.

Die Hauptkomponenten eines Relais sind die Magnet/Elektromagnet, Anker-Feder-Aggregat und für Kontakte. Lassen Sie uns ihre individuellen Aufgaben besprechen und wie sie zusammenarbeiten, um als Schalter zu fungieren.

Der Elektromagnet (auch Elektromagnet genannt) ist eine Kupferspule, die um ein ferromagnetisches Material gewickelt ist. Dies ist typischerweise ein massiver Eisenkern. Beim Anlegen einer Spannung an die Spule wird um die Spule herum ein Magnetfeld erzeugt.

Der Eisenkern konzentriert dieses Magnetfeld, um ein Magnet zu werden, bis die Spannung an der Spule wegfällt.

Magnetspulen werden normalerweise mit Gleichstrom betrieben und sind nicht mit Wechselstromquellen kompatibel. Es sind jedoch auch wechselstrombetriebene Relais erhältlich.

Wechselstromrelais haben eine zusätzliche Komponente im Elektromagneten namens "Schattierungsring". Dadurch wird verhindert, dass sich der Elektromagnet entmagnetisiert, wenn die Wechselstromversorgung den Nullpunkt kreuzt. Daher kann der Anker vom Elektromagneten angezogen bleiben, solange die Spule eingeschaltet ist.

Das Anker-Feder-Aggregat ist das bewegliche Bauteil, das sich in einem Relais befindet. Der Anker ist so positioniert, dass er beim Einschalten des Elektromagneten den Anker zu ihm hin auslenken kann.

Eine Rückstellfeder sorgt dafür, dass der Anker in seine Ausgangsposition zurückkehrt, wenn die Spule nicht eingeschaltet ist. Der Anker ist leitend, da er den Schaltstrom von der gemeinsamen Klemme zu den Ausgangsklemmen führen soll.

Die Kontakte sind die zweitwichtigsten und am häufigsten missbrauchten Teile in einem Relais. Beim Schalten einer Last bewegt der Anker die Kontakte zwischen den feststehenden Kontakten. Dadurch entstehen Funken. Handelt es sich bei der geschalteten Last um eine stark induktive Last wie z. B. einen Motor, sind manchmal auch Lichtbögen zu sehen.

Daher wird das Kontaktmaterial so ausgewählt, dass es den elektrische Korrosion. Üblicherweise bestehen sie aus Silbernickel, Silberkadmiumoxid und Silberzinnoxid.

Sobald die Spule erregt wird, wird der Elektromagnet aktiviert. Dadurch wird der Anker zum Elektromagneten angezogen, der wiederum die Verbindung zwischen dem gemeinsamen Kontakt und dem Schließer herstellt.

Gleichzeitig wird die Verbindung zwischen Öffner und gemeinsamem Kontakt getrennt.

Es stehen verschiedene Arten von elektromagnetischen Relais zur Verfügung. Einige von ihnen werden verwendet, um schwere Lasten zu kontrollieren, während andere hauptsächlich als Schutzvorrichtungen verwendet werden.

Elektromagnetische Relaistypen

• Relais mit angezogenem Anker
  • Das Relais mit angezogenem Anker ist die einfachste Art von elektromagnetischen Relais. Es gibt zwei Arten von Relais mit angezogenem Anker: Klappanker und Kolbentyp. Klappankertyp ist die häufigste.

• Wenn die Spule erregt wird, werden die Kontakte abhängig vom Schließer-/Öffnermodus des Ausgangs unterbrochen/geschlossen. 
• Relais mit angezogenem Anker werden normalerweise mit Gleichstrom betrieben und sobald sie aktiviert sind, kehren die Kontakte nicht in ihre Ausgangsposition zurück. Sie müssen manuell zurückgesetzt werden.
• Elektromagnetische Relais vom angezogenen Ankertyp finden sich in Sicherheitsvorrichtungen als Überstrom-, Überspannungs- und Unterspannungsschutzrelais und werden manchmal auch als Hilfsrelais verwendet.

• Relais vom Typ Induktionsscheibe
  • Nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und Ferraris Prinzip, Induktionsscheibenrelais werden hauptsächlich als Schutzrelais in Wechselstromsystemen verwendet.
  • Bei Erregung beginnt sich die Scheibe im Relais zu drehen. Der bewegliche Kontakt dreht sich auch mit der Scheibe und kann mit dem Feldkontakt in Kontakt kommen, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Das Abschalten des Relais bewirkt, dass die Feder die Scheibe in die entgegengesetzte Richtung dreht und zum Ausgangspunkt zurückkehrt.

• Das Induktionsscheibenrelais wurde speziell für den Betrieb mit Wechselstromsystemen entwickelt und funktioniert nicht mit kontinuierlichen Gleichstromversorgungen.

• Relais vom Typ Induktionsbecher
  • Induktionsbecher-Relais ähneln den Induktionsscheiben-Relais. Der Hauptunterschied besteht darin, dass beim Induktionsbechertyp die rotierende Scheibe im Scheibenrelais durch einen C-förmigen Aluminiumbecher ersetzt wird. Dies reduziert die Scheibenträgheit und ermöglicht einen schnelleren Betrieb.

• Induktionsbecher-Relais werden in Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Richtungs- oder Phasenvergleichsanwendungen verwendet. Dies ist aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, Vibrationsstabilität und geringeren Trägheit möglich.
• Es gibt zwei Haupttypen von Induktionsbecher-Relais: Reaktanz- oder Mho-Relais (zum Messen der Reaktanz in Stromkreisen), Richtungs- oder Leistungsrelais (bieten maximales Drehmoment zum Auslösen von Kontakten bei Fehlerbedingungen).

• Balanced Beam-Relais
  • Elektromagnetische Relais vom Schwebebalkentyp sind auch eine Art von Relais mit angezogenem Anker. Sie haben ein Scharnier, das in der Mitte des Ankers und nicht an einem Ende angeordnet ist. Die beiden Enden sind mit unabhängigen Elektromagneten ausgestattet, von denen einer das Halte-/Haltedrehmoment (links) und der andere das Betriebsdrehmoment (rechts) liefert.

• Im Normalbetrieb reicht die vom Halteelektromagneten erzeugte Anziehungskraft aus, damit der Anker von ihm angezogen bleibt. An dieser Stelle wird das Feld der Arbeitsspule dadurch aufgehoben. Bei einem Fehlerzustand, bei dem der Betriebsstrom hoch ist, wird die Anziehungskraft des Betriebselektromagneten größer als die des Halteelektromagneten. Dies zwingt den Balken, sich abzulenken und kontaktiert die Kontakte des Auslösekreises.
• Diese Relais sind im Allgemeinen schneller, können jedoch auch durch DC-Transienten (Spikes) ausgelöst werden. Daher werden diese Relais nicht allgemein verwendet.

• Relais mit beweglicher Spule
  • Unter der Familie der elektromagnetischen Relais sind die Relais vom Typ mit beweglicher Spule die empfindlichsten. Sie werden wegen ihrer hohen Empfindlichkeit in Distanz- und Differentialschutzanwendungen eingesetzt und arbeiten nur mit DC-Systemen. Für Wechselstromsysteme können sie durch zusätzliche Gleichrichterschaltungen nachgerüstet werden.

• Bei dieser Art von Relais kann die bewegliche Spule vom Typ . sein axial oder rotativ. Der axiale Typ hat die doppelte Empfindlichkeit als der rotierende Typ. Die Spule wird wie in der Abbildung oben gezeigt um das bewegliche Teil (Spindel) gewickelt. Das Anlegen von Strom durch die Spule bewirkt, dass sie sich aufgrund der Abstoßung, die von den Polen im Permanentmagneten verursacht wird, dreht. Die Drehung bewirkt, dass der bewegliche Kontakt die Kontakte des Auslösekreises schließt.

• Polarisiertes Dreheisenrelais
  • Polarisierte Relais haben, wie der Name schon sagt, eine polarisierte Spule. Dies bedeutet, dass das Relais nur mit einer bestimmten Polarität der an die Spule angelegten Spannung funktioniert. Diese Art von Relais findet sich insbesondere in hochempfindlichen Anwendungen, bei denen die Systeme mit Gleichstromversorgungen betrieben werden. 
  • Die Konstruktion dieser Relais ähnelt denen der Relais vom Typ mit beweglicher Spule, aber Polarisationsrelais enthalten auch Permanentmagnete, um die Polarität in die Spule einzubringen.

Elektromagnetisches Relaissymbol

Elektromagnetische Relais werden in Schaltplänen auf vielfältige Weise dargestellt. Einige enthalten allgemeine Symbole und einige Diagramme können komplexe Symbole enthalten, die die Betätigungsart und die Anzahl der Pole/Ausgänge der Relais angeben. Sehen wir uns einige der gebräuchlichsten Relaissymbole in elektrischen Zeichnungen an.

• Relais – Magnetbetätigt – SPST
  • Dieses Relais hat nur einen Schließer oder Öffner. Der linke Teil stellt die Spule dar, während der rechte Teil die beiden Kontakte des Schalters darstellt. Manchmal wird die Spule wie im rechten Bild dargestellt dargestellt. SPST-Relais haben 4 Pins.

• Relais – SPDT – Single Pole Double Throw
  • Dieses Relais ähnelt dem SPST-Modell, hat jedoch zwei Ausgänge. Im nicht aktiven Zustand ist der COM-Eingang mit dem NC-Ausgang verbunden. Bei Erregung unterbricht das Relais den Kontakt mit dem NC-Ausgang und schließt den Kontakt mit dem NO-Ausgang. Es hat insgesamt 5 Pins.

• Relais – DPST – Doppelpol Einzelwurf
  • Dieses Relais verfügt über zwei isolierte Schalter, die für zwei verschiedene Aufgaben verwendet werden können. Es hat 6 Pins, einschließlich der 2 Pins für die Spule.

Je nach Pinzahl, Polzahl/Wege und Technik kommen zahlreiche weitere Standardsymbole in Elektrozeichnungen zum Einsatz. Electrical-Symbols hat eine umfassende Anleitung zu diesen Symbolen auf ihrem Website .

Anwendungen für elektromagnetische Relais

Elektromagnetische Relais werden dort eingesetzt, wo große elektrische Lasten mit einem kleinen Signal geschaltet werden müssen. Relais werden auch verwendet, um eine elektrische Trennung zwischen Hochspannungs- und Niederspannungssystemen bereitzustellen, um Niederspannungssysteme und die Benutzer zu schützen.

Relais finden ihre Anwendung in,

• Automobiles
  • Kraftstoffpumpe, Hupen, Anlasser, Windschutzscheibenvipern 
• Gebäudeautomation
  • Zutrittskontrollsysteme, Aufzüge, Kontrolltafeln
• Industrielle Automatisierung
  • Motorsteuerungen, Lichtsteuerungen, Stromversorgungsverteilung und -schaltung
• Elektrische Haushaltsgeräte
  • Öfen, Waschmaschinen, Innen- und Außenklimageräte

Und viele mehr.

Wie lange hält ein elektromagnetisches Relais?

Da Relais bewegliche Teile enthalten und einem ständigen Verbinden/Trennen ausgesetzt sind, haben sie eine relativ geringere Lebenserwartung als ihre Halbleiter-Gegenstücke.

Normalerweise sind die Kontakte der erste Teil eines Relais, der ausfällt. Gemäß FDA, Relais haben eine Lebenserwartung von 100,000 Schaltvorgängen für ihre Kontakte und 10 Millionen Schaltvorgänge insgesamt. 

Wenn die Relais jedoch ständig unter hoher Last stehen, kann ihre Lebenserwartung deutlich geringer sein. Wenn ein Relais beispielsweise verwendet wird, um Lasten zu schalten, die viel höher als der Nennwert sind, können die Kontakte schneller abgebaut werden und schließlich miteinander verschmelzen, was zu einer gefährlichen Situation führt.

So testen Sie ein elektromagnetisches Relais

Elektromagnetische Relais können entweder mit einer Last oder einem Multimeter getestet werden. Um ein Relais mit dem Multimeter zu überprüfen, gehen Sie wie folgt vor:

1. Stellen Sie den Multimeter-Modus auf Durchgang/Summer Modus. Schließen Sie die Sonden an die Spulenanschlüsse des Relais an. Wenn der Summer klingelt, ist die Spule in Ordnung und funktionsfähig.

Das Testen der Spule kann auch mit dem Widerstandsmessmodus. Eine funktionsfähige Spule hat einen Widerstand von etwa 10-500 Ohm.

1. Schließen Sie die Sonden an die Klemmen NO und COM an. An dieser Stelle ertönt der Summer sollte nicht klingeln. Wenn der Summer ertönt, ist das Relais defekt. 
2. Schließen Sie die Sonden auf ähnliche Weise an die NC- und COM-Klemmen an. Der Summer sollte jetzt klingeln (wenn sich das Messgerät im Widerstandsmodus befindet, sollte es 0 Ohm anzeigen.). Wenn dies nicht der Fall ist, bedeutet dies, dass das Relais defekt ist.

Wie viele Pins hat ein elektromagnetisches Relais?

Elektromagnetische Relais sind in allen Formen und Größen erhältlich. Relais können je nach Konfiguration eine Pinanzahl von 4, 5, 8 und manchmal sogar mehr haben. Es gibt einige Konfigurationen von Relais, die weit verbreitet sind:

• SPST – Single Pole Single Throw
• SPDT – Single Pole Double Throw
• DPST – Double Pole Single Throw
• DPDT – Double Pole Double Throw

Neben den Kontaktklemmen gibt es noch zwei weitere Klemmen, die mit der Spule verbunden werden.

Zusammenfassung

Elektromagnetische Relais gehören zu den gängigsten Schaltelementen in Automatisierungssystemen. Sie werden verwendet, um Hochspannungs- und Hochstromlasten mit Signalen niedrigerer Spannung zu steuern.

Relais werden sowohl als Schalter als auch als Sicherheitseinrichtungen verwendet. Als Alternative gibt es Halbleiterrelais, die elektromechanische Relais ersetzen können, die robuster und langlebiger sind.