Ratgeber
In der Technik und in der Elektronik sind oftmals die unterschiedlichsten Schaltaufgaben zu erfüllen. Doch leider sind die Steuerungen nicht immer in der Lage, leistungsstarke Verbraucher direkt zu schalten. Meistens sind die Signale und Spannungen, die von den Steuerungen erzeugt werden, viel zu klein. Demzufolge sind auch keine Anschlussmöglichkeiten für leistungsstarke Verbraucher vorhanden.
In der Praxis wird deshalb gerne mit Relais-Bausätzen gearbeitet. Der Zeitrelais Bausatz ist in diesem Zusammenhang besonders beliebt, da er viele verschiedene Funktionen und Schaltungen ermöglicht. Wie Relais-Bausätze funktionieren und was sie alles können, möchten wir Ihnen in unserem Ratgeber gerne etwas genauer erklären.
Relais-Bausätze, Relais-Bausteine und Relais-Karten haben im Prinzip immer die gleiche Aufgabe. Sie schalten mit einem kleinen Steuersignal einen leistungsstarken Verbraucher. Dazu werden, wie der Name schon sagt, Relais verwendet. Allerdings erfolgt die Ansteuerung des Relais auf unterschiedliche Art und Weise. Deshalb gibt es bei den Relais-Bausätzen auch verschiedene Ausführungen, die wir zunächst genauer betrachten wollen:
Zeitrelais und Timer
Ein Zeitrelais bzw. Timer kombiniert die Relaisfunktion mit einer einstellbaren Zeitkomponente. Dadurch können Ein- und Ausschaltzeiten verzögert durchgeführt werden. Da die Timersteuerung direkt im Zeitrelais integriert ist, müssen lediglich die Versorgungsspannung und die Relais-Ausgänge angeschlossen werden.
Relaiskarten
Relaiskarten sind die perfekte Lösung, wenn Verbraucher mit Hilfe eines Computers gesteuert werden sollen. Die Relaiskarten werden über gängige Schnittstellen (RS232 oder USB) mit dem PC verbunden. Am Computer muss eine geeignete Software installiert sein, um die einzelnen Relais auf der Karte schalten zu können.
Funk-Fernschalter
Ein weiterer grosser Einsatzbereich für Relais-Bausätze ist die Funk-Fernschalttechnik. Das Ansteuersignal wird drahtlos zum Empfänger übertragen, der dann das Relais ansteuert. Bei entsprechender Auslegung von Sender und Empfänger können mehrere Relais im Funk-Fernschalter genutzt werden.
Master-Slave-Schalter
Ein Master-Slave-Baustein sorgt dafür, dass beim Einschalten eines Gerätes automatisch ein anderes mit Strom versorgt wird. Dazu wird die Stromaufnahme des Master-Gerätes (z.B. ein Computer) ständig überwacht. Steigt die Stromaufnahme beim Einschalten, werden automatisch auch die Slave-Ausgänge (z.B. für die Monitore) mit Spannung versorgt.
Wichtig!
Der grosse Vorteil bei einem Relais-Bausatz ist die elektrische Trennung zwischen Steuerstromkreis und Laststromkreis. Der Fachmann spricht hier von Galvanischer Trennung oder Galvanischer Entkopplung. Dies ist wichtig, wenn zum Beispiel 230 V Verbraucher geschaltet werden sollen.
Bevor wir die Funktion eines Relais-Bausteins betrachten, wollen wir zunächst auf die Funktionsweise eines Relais eingehen.
Aufbau eines Relais
Im Wesentlichen besteht ein Relais aus einer Spule (1) mit einem Eisenkern (2). Oberhalb des Eisenkerns befindet sich ein abgewinkeltes und beweglich gelagertes Metallteil (3). Dieser Metallwinkel wird auch als Anker bezeichnet. Am unteren Schenkel des Ankers befindet sich ein isolierter Steg (4), der mechanisch mit der inneren Kontaktfeder (5) verbunden ist.
Im ausgeschalteten Zustand hält eine Zugfeder (6) den Anker auf Distanz zum Eisenkern. In dieser Stellung des Ankers sind die beiden Arbeitskontakte (7) geöffnet.
Sobald die Relaisspule mit Spannung versorgt wird, baut sie ein Magnetfeld auf. Der Eisenkern wird dadurch magnetisch und zieht den Anker entgegen der Federkraft an. Durch die Kippbewegung des Ankers drückt nun der isolierte Steg die innere Kontaktfeder gegen die äussere Kontaktfeder (8). Die beiden Arbeitskontakte werden geschlossen.
Sobald die Spannung an der Spule abgeschaltet wird, bricht das Magnetfeld zusammen und die Zugfeder bewegt den Anker vom Eisenkern weg. Der Arbeitskontakt wird dadurch wieder geöffnet.
Funktionsweise eines Relais
Die Freilauf-Diode D1 ist für die grundsätzliche Funktion der Schaltung nicht relevant. Sie dient lediglich zum Schutz des Transistors, da sie im Abschaltmoment die in der Relaisspule entstehende Spannungsspitze kurzschliesst.
Für die Stromversorgung der Relaisspule wird im Regelfall eine Gleichspannung verwendet. In Serie zur Relaisspule befindet sich ein Transistor, der als elektronischer Schalter mit geringer Leistung fungiert.
Sobald die Spannung an der Basis (B) 0,6 bis 0,7 V erreicht, schaltet der Transistor. Das bedeutet, die Verbindung zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) wird niederohmig und es fliesst Strom durch die Relaisspule. Das Relais zieht den Anker an und der Arbeitskontakt wird geschlossen. Dadurch leuchtet die an 230 V angeschlossene Lampe.
Sinkt die Spannung an der Basis unter 0,6 V, sperrt der Transistor und das Relais fällt wieder ab. Der Arbeitskontakt wird wieder geöffnet und die Lampe geht aus.
Die Ansteuerung an der Basis des Transistors ist von der Art des Relais-Bausatzes bzw. Relais-Bausteines abhängig. Bei einem Timer oder Zeitrelais kann das z.B. ein IC vom Typ NE 555 übernehmen. In unserm Bauteile-Ratgeber haben wir die Funktion des ICs genauer beschrieben. Dort finden Sie auch eine genaue Funktionsbeschreibung eines Transistors.
Bei einer USB-Schnittstellenkarte kommen die Steuer-Impulse von einem PC , einem Einplatinen-Computer oder anderen vergleichbaren Steuerungen.
Damit unter der Vielzahl der Angebote der richtige Relaisbausatz ausgesucht wird, sind einige wichtige Punkte zu beachten:
Einsatzzweck
Der Einsatzzweck ist das erste und wichtigste Entscheidungskriterium. Denn nur wenn der Bausatz oder der Baustein die geforderten Leistungsmerkmale auch wirklich unterstützt, kann er für die Schaltungsaufgabe verwendet werden. Neben der grundsätzlichen Funktion müssen auch die Anzahl der Relais-Ausgänge bzw. der schaltbaren Relais geprüft werden. Bei einstellbaren Zeitrelais sind die zur Verfügung stehenden Schaltzeiten zu beachten.
Belastbarkeit
Ein weiter wichtiger Punkt ist die Belastbarkeit der Relaiskontakte. Denn sollte die Leistung des angeschlossenen Verbrauchers höher als die Schaltleistung des Relais sein, können die Kontakte sehr schnell verschleissen. Dies würde innerhalb kürzester Zeit zu Funktionsstörungen oder Schäden führen.
Betriebsspannung
Um den Relais-Baustein versorgen zu können, ist ein geeignetes Netzteil oder auch die Netzspannung erforderlich. Prüfen Sie im Falle einer Gleichspannungsversorgung, ob die Spannung des geplanten Netzteiles die richtige Höhe aufweist. Zudem ist es wichtig, dass das DC Netzteil auch den benötigten Strom in mA liefern kann.
Äussere Bedingungen
Bausätze und Bausteine werden meistens ohne Gehäuse geliefert. Um später im Einsatz optimal funktionieren zu können, muss ein passendes Gehäuse verwendet werden. Dabei sind die Umweltbedingungen wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Sonneneinstrahlung oder Spritzwasser aber auch der Berührungsschutz zu beachten.
Zubehör
Da Relais-Bausätze im Regelfall ohne Zubehör angeboten werden, muss man genau prüfen, was sonst noch benötigt wird. Zum Teil werden passende Gehäuse oder Netzgeräte als Zubehör angeboten. Um einen Bausatz aufbauen zu können werden Lötgeräte, Löthilfsmittel und Drahtschneider benötigt.
Was ist der Unterschied zwischen Bausatz und Baustein?
Bei einem Bausatz sind alle Einzelteile und Komponenten noch nicht miteinander verbunden. Das bedeutet, bei einem Bausatz muss der Anwender alle Bauelemente und Einzelteile zusammenfügen und mit der Platine verlöten. Da es bei der Fertigstellung eines Bausatzes leicht zu Fehlern kommen kann, werden komplexe Module auch als Bausteine geliefert. Im Gegensatz zu einem Bausatz ist ein Baustein bereits vom Hersteller komplett aufgebaut worden.
Was ist ein Modul?
Der Begriff Modul wird in den unterschiedlichsten Zusammenhängen genutzt. Deshalb wird unter Modul auch immer etwas anderes verstanden. In der Elektronik bzw. Technik versteht man unter einem Modul eine austauschbare Baugruppe, die aus unterschiedlichen Einzelteilen zusammengesetzt ist. Demzufolge kann man einen Relaiskarten Baustein auch als Modul bezeichnen.
Warum wird bei einem Relaisbausatz keine Ausgangsspannung angegeben?
Ganz einfach, weil es keine gibt. Die eingebauten Relais der elektronischen Bausätze haben einen potentialfreien Kontakt. An diesem Kontakt kann eine beliebige Spannung angeschlossen werden, die dann im geschalteten Zustand als Ausgangsspannung fungiert. Man muss nur beachten, dass die maximale Kontaktbelastbarkeit in Bezug auf Spannung und Strom nicht überschritten wird.
Was ist der Unterschied zwischen einem Langzeit-Timer und einem Präzisions-Timer?
Im Prinzip sind beide Timer einstellbare Zeitschalter. Währen es bei einem Langzeit-Timer auf möglichst lange Schaltzeiten ankommt, muss ein Präzisions-Timer die eingestellte Zeit sehr exakt einhalten. Deshalb sind bei einem Präzisions-Timer die Schaltzeiten deutlich kürzer. Denn je länger die Zeitspanne zwischen zwei Schaltvorgängen, desto grösser ist die Gefahr einer Abweichung.
Was bedeuten NO und NC bei den Relais-Anschluss-Kontakten?
Die Abkürzung NO steht für Normally Open. Das bedeutet, dass der Kontakt offen ist, wenn das Relais nicht angesteuert wird. Sobald an der Relaisspule eine Spannung anliegt, schliesst der Kontakt. Der Fachmann bezeichnet diese Kontakte auch als Schliesser. NC steht für Normally Closed. Dieser Kontakt ist bei einem nicht angesteuerten Relais geschlossen und öffnet bei einer Ansteuerung. Der Fachmann sagt zu solchen Kontakten auch Öffner. Viele Relais haben eine Kombination aus beiden Kontakt-Arten und können dadurch individuell genutzt werden.