Relaisbau

Elektrizität und Magnetismus

Ein elektrischer Strom durch einen Leiter erzeugt magnetische Feldlinien, die den Leiter umgeben. Wenn dieser Leiter in eine Spulenform gewickelt wird, wird das erzeugte Magnetfeld entlang der Länge der Spule ausgerichtet. Je größer der Strom, desto größer die Stärke des Magnetfelds, wobei alle anderen Faktoren gleich sind:

Induktivitäten und magnetische Felder

Induktivitäten reagieren aufgrund der in diesem Magnetfeld gespeicherten Energie auf Stromänderungen. Wenn wir einen Transformator aus zwei Induktorspulen um einen gemeinsamen Eisenkern bauen, verwenden wir dieses Feld, um Energie von einer Spule zur anderen zu übertragen.

Es gibt jedoch einfachere und direktere Anwendungen für elektromagnetische Felder als die Anwendungen, die wir bei Induktivitäten und Transformatoren gesehen haben.

Das von einer Spule aus stromdurchflossenem Draht erzeugte Magnetfeld kann verwendet werden, um auf jeden magnetischen Gegenstand eine mechanische Kraft auszuüben, genauso wie wir einen Permanentmagneten verwenden können, um magnetische Gegenstände anzuziehen, außer dass dieser Magnet (von der Spule gebildet) sein kann ein- oder ausgeschaltet werden, indem der Strom durch die Spule ein- oder ausgeschaltet wird.

Magnetventile

Wenn wir ein magnetisches Objekt in der Nähe einer solchen Spule platzieren, um dieses Objekt in Bewegung zu setzen, wenn wir die Spule mit elektrischem Strom erregen, haben wir ein sogenanntes Solenoid. Das bewegliche magnetische Objekt wird Anker genannt, und die meisten Anker können entweder mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) bewegt werden, der die Spule erregt.

Die Polarität des Magnetfeldes ist für die Anziehung eines Eisenankers unerheblich. Magnete können verwendet werden, um Türschlösser elektrisch zu öffnen, Ventile zu öffnen oder zu schließen, Roboterglieder zu bewegen und sogar elektrische Schaltmechanismen zu betätigen. Wird jedoch ein Elektromagnet zur Betätigung eines Schaltkontaktsatzes verwendet, haben wir ein so nützliches Gerät, dass es seinen eigenen Namen verdient:das Relais.

Relais

Relais sind äußerst nützlich, wenn wir eine große Menge an Strom und/oder Spannung mit einem kleinen elektrischen Signal steuern müssen.

Die Relaisspule, die das Magnetfeld erzeugt, kann nur Bruchteile eines Watts an Leistung verbrauchen, während die durch dieses Magnetfeld geschlossenen oder geöffneten Kontakte in der Lage sein können, eine hundertfache Leistung an eine Last zu leiten. Tatsächlich fungiert ein Relais als binärer (ein- oder ausgeschalteter) Verstärker.

Genau wie bei Transistoren findet die Fähigkeit des Relais, ein elektrisches Signal mit einem anderen zu steuern, Anwendung beim Aufbau von Logikfunktionen. Dieses Thema wird in einer anderen Lektion ausführlicher behandelt. Vorerst wird die „verstärkende“ Fähigkeit des Relais erforscht.

Im obigen Schema wird die Spule des Relais von der Niederspannungsquelle (12 VDC) gespeist, während der einpolige Single-Throw-Kontakt (SPST) den Hochspannungsstromkreis (480 VAC) unterbricht.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Strom, der zum Erregen der Relaisspule erforderlich ist, Hunderte Male geringer ist als der Nennstrom des Kontakts. Typische Relaisspulenströme liegen deutlich unter 1 Ampere, während typische Kontaktnennwerte für Industrierelais mindestens 10 Ampere betragen.

Relaisbaugruppe

Eine Relaisspulen-/Ankerbaugruppe kann verwendet werden, um mehr als einen Kontaktsatz zu betätigen. Diese Kontakte können normalerweise offen, normalerweise geschlossen oder eine beliebige Kombination aus beiden sein.

Wie bei Schaltern ist der „normale“ Zustand der Kontakte eines Relais der Zustand, in dem die Spule nicht erregt ist, so wie Sie das Relais auf einem Regal vorfinden würden, das nicht an einen Stromkreis angeschlossen ist.

Relaiskontakte können Open-Air-Pads aus Metalllegierung, Quecksilberröhren oder sogar magnetische Reeds sein, genau wie bei anderen Arten von Schaltern. Die Wahl der Kontakte in einem Relais hängt von denselben Faktoren ab, die die Kontaktwahl in anderen Schaltertypen bestimmen.

Freiluftkontakte sind am besten für Hochstromanwendungen geeignet, aber ihre Neigung zu Korrosion und Funkenbildung kann in einigen industriellen Umgebungen zu Problemen führen. Quecksilber- und Reedkontakte sind funkenfrei und korrodieren nicht, aber ihre Strombelastbarkeit ist tendenziell begrenzt.

Beispiele für physikalische Relais

Hier sind drei kleine Relais (jeweils etwa 5 cm hoch), die als Teil eines elektrischen Steuersystems in einer kommunalen Wasseraufbereitungsanlage auf einer Schalttafel installiert sind:

Die hier gezeigten Relaiseinheiten werden „Oktal-Basis“ genannt, weil sie in passende Buchsen gesteckt werden, die elektrischen Verbindungen werden über acht Metallstifte auf der Relaisunterseite gesichert. Die Schraubklemmenanschlüsse, die Sie auf dem Foto sehen, an denen die Drähte mit den Relais verbunden sind, sind tatsächlich Teil der Sockelbaugruppe, in die jedes Relais eingesteckt wird.

Diese Konstruktionsart erleichtert den einfachen Ausbau und Austausch des/der Relais(s) im Fehlerfall.

Weitere Vorteile von Relais

Abgesehen von der Fähigkeit, ein relativ kleines elektrisches Signal ein relativ großes elektrisches Signal schalten zu lassen, bieten Relais auch eine elektrische Trennung zwischen Spule und Kontaktkreisen. Das bedeutet, dass Spulenkreis und Kontaktkreis(e) elektrisch voneinander isoliert sind.

Ein Stromkreis kann Gleichstrom und der andere Wechselstrom sein (wie in der oben gezeigten Beispielschaltung) und/oder sie können auf völlig unterschiedlichen Spannungspegeln liegen, über die Anschlüsse oder von den Anschlüssen zur Erde.

Pull-in-Strom und Drop-out-Strom

Während Relais im Wesentlichen binäre Geräte sind, die entweder vollständig ein- oder vollständig ausgeschaltet sind, gibt es Betriebsbedingungen, bei denen ihr Zustand unbestimmt sein kann, genau wie bei Halbleiterlogikgattern. Damit ein Relais den Anker zum Betätigen des/der Kontakte positiv „einzieht“, muss ein bestimmter Mindeststrom durch die Spule fließen.

Dieser minimale Betrag wird als Pull-In-Strom bezeichnet und entspricht der minimalen Eingangsspannung, die ein Logikgatter benötigt, um einen "High"-Zustand zu gewährleisten (typischerweise 2 Volt für TTL, 3,5 Volt für CMOS).

Sobald der Anker jedoch näher an die Spulenmitte gezogen wird, braucht es weniger Magnetfeldfluss (weniger Spulenstrom), um ihn dort zu halten. Daher muss der Spulenstrom unter einen Wert sinken, der deutlich unter dem Anzugsstrom liegt, bevor der Anker in seine federbelastete Position „herausfällt“ und die Kontakte wieder in ihren Normalzustand zurückkehren.

Dieser Strompegel wird als Drop-Out-Strom bezeichnet und entspricht der maximalen Eingangsspannung, die ein Logikgattereingang ermöglicht, um einen „niedrigen“ Zustand zu garantieren (typischerweise 0,8 Volt für TTL, 1,5 Volt für CMOS).

Die Hysterese oder Differenz zwischen Pull-In- und Drop-Out-Strömen führt zu einem Betrieb, der einem Schmitt-Trigger-Logikgatter ähnelt. Anzugs- und Abfallströme (und -spannungen) variieren stark von Relais zu Relais und werden vom Hersteller angegeben.

RÜCKBLICK:

• Ein Magnetventil ist ein Gerät, das durch die Erregung einer elektromagnetischen Spule eine mechanische Bewegung erzeugt. Der bewegliche Teil eines Solenoids wird als Anker bezeichnet .
• Ein Relais ist ein Solenoid, das so eingerichtet ist, dass es Schaltkontakte betätigt, wenn seine Spule erregt ist.
• Einzug Strom ist der minimale Spulenstrom, der benötigt wird, um einen Magneten oder ein Relais aus seiner „normalen“ (stromlosen) Position zu betätigen.
• Abbruch Strom ist der maximale Spulenstrom, unterhalb dessen ein erregtes Relais in seinen „normalen“ Zustand zurückkehrt.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt für grundlegende elektromagnetische Relais