Elektrische Relais können in zwei Kategorien unterteilt werden, nämlich elektromechanische Relais und Halbleiterrelais.
Elektromechanische Relais
Elektromechanische Relais sind Geräte elektromagnetischer Natur und wandeln den magnetischen Fluss, der durch das Gleich- oder Wechselstromsignal mit geringer Eingangsleistung um die Relais herum erzeugt wird, in mechanische Kraft um, die zum Betätigen der elektrischen Kontakte in den Relais verwendet wird. Die am häufigsten verwendeten elektromechanischen Relais verfügen über einen Schaltkreis; um einen absorbierenden Eisenkern gewickelt; welches als Primärkreis bezeichnet wird.
Der Eisenkern besteht aus einem festen Teil, dem sogenannten Joch, und einem Anker, einem beweglichen, federbelasteten Teil, der den Luftspalt zwischen dem beweglichen Anker und der festen elektrischen Spule schließt und somit den Magnetfeldkreis vervollständigt. Der Anker schließt die an ihm befestigten Kontakte und kann sich durch seine Dreh- bzw. Klappstellung frei zwischen dem erzeugten Magnetfeld bewegen. Eine oder mehrere Federn sind zwischen Anker und Joch geschaltet, um den Rückhub zu erzeugen und die Anschlüsse in ihre ursprüngliche Position zurückzubringen, wenn die Relaisspule stromlos ist oder sich im ausgeschalteten Zustand befindet.
Aufbau eines elektromechanischen Relais
Die obige Abbildung zeigt das einfache Relais, das über zwei Sätze elektrisch leitender Kontakte verfügt. Relais können „normalerweise offen“ oder „normalerweise geschlossen“ sein. Das Kontaktpaar wird als Schließer oder Schließerkontakt bezeichnet, und ein Paar wird als Schließer oder Öffnerkontakt bezeichnet. Bei normalerweise offenen Kontakten sind die Kontakte geöffnet, wenn keine Eingangsspannung anliegt, sie werden nur geschlossen, wenn ein Feldstrom anliegt, während bei normalerweise geschlossenen Kontakten die Kontakte geschlossen sind, wenn keine Eingangsspannung anliegt, sie sind nur geöffnet, wenn ein Feldstrom vorhanden ist Feldstrom. Diese Begriffe werden standardmäßig für stromlose Stromkreise verwendet, die sich im Aus-Zustand befinden.
Die Kontakte von Relais sind elektrisch leitende Metallteile. Wenn sie sich berühren, schließen sie den Stromkreis und leiten den Stromfluss durch den Stromkreis, genau wie bei Schaltern. Im geöffneten Zustand haben sie einen sehr hohen Widerstand in Mega-Ohm und wirken wie ein offener Stromkreis, während sie im geschlossenen Zustand wie ein geschlossener Schalter fungieren und idealerweise einen Widerstand von Null haben sollten, aber es gibt immer einen gewissen Kontaktwiderstand was als „EIN-Widerstand“ bezeichnet wird.
Neue Kontakte und Relais haben einen sehr niedrigen EIN-Widerstand, da ihre Spitzen sauber und neu sind, aber mit der Zeit wird dieser Widerstand zunehmen. Bei den Kontakten wird ein Lichtbogeneffekt beobachtet, der als Beschädigung der Kontaktspitzen bezeichnet wird, wenn diese nicht ordnungsgemäß vor hohen kapazitiven und induktiven Lasten geschützt sind. Da der Strom durch die Kontakte fließt, wenn sie verbunden sind, wird der Lichtbogeneffekt, wenn er nicht kontrolliert wird, immer größer, wodurch der Widerstand groß wird, was schließlich dazu führt, dass die Kontakte reißen und nicht leiten, selbst wenn sie sich im geschlossenen Zustand befinden.
Um die Lichtbogeneffekte und den hohen „ON-Widerstand“ in Leitern zu reduzieren und ihre Lebensdauer zu verbessern, werden die modernen Leiterspitzen aus verschiedenen Silberlegierungen hergestellt oder damit beschichtet. Einige davon umfassen Ag (Feinsilber), AgCu (Silberkupfer), AgCdO (Silbercadmiumoxid), AgW (Silberwolfram), AgNi (Silbernickel), Platin, Gold und Silberlegierungen sowie AgPd (Silberpalladium).
Die lange Lebensdauer von Relaiskontakten kann durch den Einsatz der Filtertechnik erreicht werden, die durch das Hinzufügen eines Widerstandskondensatornetzwerks, der sogenannten Snubber-Schaltung, parallel zu den Relaiskontaktspitzen erreicht wird. Dieser RC-Schaltkreis schließt die Hochspannung kurz, wodurch eventuelle Funkenüberschläge unterdrückt werden.
Klassifizierung elektromechanischer Relais nach Kontakttypen
Da NO und NC beschreiben, wie die Kontakte verbunden sind, können sie auch anhand ihrer Aktionen klassifiziert werden. Sie können durch Verbinden eines oder mehrerer Schaltkontakte, auch Pole genannt, hergestellt werden, die durch Erregen der Relaisspulen weiter verbunden werden können, wodurch vier verschiedene Kontakttypen entstehen:
| Typ | Beschreibung | Anwendung |
| Einpoliger Einzelwurf (SPST) | Es verfügt über einen einzelnen Pol und einen einzelnen Ausgang. Die Verbindung wird entweder geschlossen oder vollständig getrennt, dazwischen gibt es nichts. | Sie eignen sich perfekt zum Ein- und Ausschalten. |
| Single Pole Double Throw (SPDT) | Es verfügt über einen einzigen Eingang und zwei unterschiedliche Ausgänge. Es kann zwei unterschiedliche Schaltkreise über einen einzigen Eingang steuern. | Sie werden in Steuerkreisen und Ausgangsschaltern von SPS-Systemen verwendet. |
| Double Pole Single Throw (DPST) | Es verfügt über zwei Eingänge und zwei Ausgänge. Jeder seiner Anschlüsse kann sich entweder in der Aus-Position (offen) oder in der Ein-Position (geschlossen) befinden. | Sie werden als Thermostate zur Steuerung elektrischer Heizlasten eingesetzt. |
| Doppelpoliger Doppelwurf (DPDT) | Es verfügt über zwei Eingänge und vier Ausgänge. Jeder der Eingänge entspricht zwei Ausgängen. Es können zwei verschiedene Schaltkreise gleichzeitig gesteuert werden. | Sie werden bei der Auswahl der Stromversorgung, der Beleuchtungssteuerung usw. verwendet. |
Die Halbleiterrelais
Die Halbleiterrelais haben keine beweglichen Teile, nutzen aber die optischen und elektrischen Eigenschaften von Halbleiterhalbleitern, um eine Isolierung herzustellen und Schaltfunktionen auszuführen. Da sie im Gegensatz zu elektromechanischen Relais keine beweglichen Teile haben, kommt es zu keinem Verschleiß der Komponenten. Sie bieten außerdem eine vollständige Isolierung zwischen Ausgangs- und Eingangskontakten und haben im offenen Zustand einen sehr hohen Widerstand und im leitenden Zustand einen sehr niedrigen Widerstand. Sie ähneln in ihrer Funktionsweise elektromechanischen Relais, da sie auch Schaltvorgänge ausführen. Aufgrund ihres geringen Eingangssteuerleistungsbedarfs sind sie mit den meisten IC-Logikfamilien kompatibel, ohne dass zusätzliche Verstärker, Treiber oder Pufferschaltungen erforderlich sind. Sie müssen jedoch entsprechend auf Kühlkörpern montiert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Halbleiterrelais
Am Nulldurchgangspunkt der AC-Sinuswellenform schaltet das AC-Halbleiterrelais „EIN“ und verhindert hohe eingehende Ströme. Beim Schalten hoher kapazitiver und induktiver Lasten wird eine RC-Überspannungsschutzschaltung verwendet, um Rauschen und Spannungsspitzen zu eliminieren. Da es sich bei dem Ausgangsschaltgerät um ein Halbleiter-Halbleiterrelais handelt, ist der Spannungsabfall am Ausgang sehr hoch, sodass ein Wärmeschutz erforderlich ist, um eine Überhitzung und Beschädigung des Schaltkreises zu vermeiden.
Eingabe-/Ausgabeschnittstellenmodule
Eingabe-/Ausgabe-Schnittstellenmodule sind ein spezielles Design von Halbleiterrelais zur Verbindung von Mikrocontrollern, Computern und PICs mit realen Schaltern und Lasten. Es gibt vier Grundtypen von I/O-Modulen: CMOS-Logikpegelausgang oder AC/DC-Eingangsspannung zu TTL, CMOS-Logikeingang zu AC- oder DC-Ausgangsspannung und TTL. Diese Module enthalten alle erforderlichen Schaltkreise zur Bereitstellung einer Isolierung und einer vollständigen Schnittstelle in einem kleinen Gerät. Sie sind als separate Halbleitermodule erhältlich oder in Geräte mit 4, 8 oder 16 Kanälen integriert.
Vergleichstabelle zwischen elektromechanischen und Halbleiter-Halbleiterrelais
Elektromechanische Relais verwenden mechanische Kontakte zum Schalten und verfügen über bewegliche Teile, während Halbleiter-Halbleiterrelais Halbleiterbauelemente zum Schalten verwenden und keine beweglichen Teile haben.
| Elektromechanische Relais | Halbleiter-Halbleiterrelais |
| Zum Schalten nutzen sie Magnetfelder, Spulen, Federn und mechanische Kontakte. | Sie verzichten auf bewegliche Teile, sondern nutzen die optischen und elektrischen Eigenschaften der Festkörperhalbleiter. |
| Durch die beweglichen Teile kommt es zu Schäden an den Bauteilen. | Sie unterliegen keinem Verschleiß der Komponenten. |
| Sie haben einen begrenzten Kontaktlebenszyklus und nehmen einen großen Raum ein. Außerdem haben sie eine langsame Schaltgeschwindigkeit. | Es gibt keine derartigen Einschränkungen durch größeren Raum und langsame Geschwindigkeit. |
| Eine Spannung mit kleinem Eingang kann zur Steuerung einer großen Ausgangsspannung verwendet werden. | Eine Spannung mit kleinem Eingang kann zur Steuerung einer großen Ausgangsspannung verwendet werden. |
| Sie sind kosteneffizient. | Die sind teuer. |
| Sie können kleine Spannungslasten und Hochfrequenzsignale wie Audio- und Videosignale schalten. | Sie können keine Hochfrequenz- und Kleinspannungslastsignale wie Video- und Audiosignale schalten. |
| Sie werden am häufigsten in Automobilen, elektronischen Haushaltsgeräten usw. eingesetzt. | Sie werden am häufigsten beim Schalten von Wechselstromlasten wie Lichtdimmung, Motorgeschwindigkeitssteuerung usw. eingesetzt. |
Abschluss
Ein elektrisches Relais ist ein Schalter, der den Stromkreis durch ein externes elektrisches Signal ein- und ausschaltet. Sie können einen hohen elektrischen Strom durch ein Signal geringer Leistung steuern und werden aufgrund ihrer Fähigkeit, eine physikalische Größe in eine andere umzuwandeln, auch als Wandler bezeichnet. Elektromechanische Relais nutzen Magnetfelder, Spulen, Federn und mechanische Kontakte zum Schalten. Durch die beweglichen Teile kommt es zu Schäden an den Bauteilen.
Sie haben einen begrenzten Kontaktlebenszyklus und nehmen viel Platz ein. Außerdem haben sie eine langsame Schaltgeschwindigkeit, während Halbleiter-Halbleiterrelais keine beweglichen Teile verwenden und stattdessen die elektrischen und optischen Eigenschaften von Halbleiter-Halbleitern nutzen. Sie unterliegen keinem Verschleiß der Komponenten, sind aber teuer.