Relaisaufbau verstehen: Von Spulen zu Industrieanwendungen

Elektrizität und Magnetismus

Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, das den Leiter umkreist. Wird der Leiter zu einer Spule gewickelt, richtet sich das Magnetfeld entlang der Spulenachse aus. Je stärker der Strom, desto stärker das Magnetfeld, bei sonst gleichen Bedingungen.

Induktoren und Magnetfelder

Induktoren widerstehen Stromänderungen, indem sie Energie in ihrem Magnetfeld speichern. In einem Transformator teilen sich zwei induktive Spulen einen gemeinsamen Eisenkern, sodass das Feld einer Spule Energie auf die andere übertragen kann. Neben Transformatoren können elektromagnetische Felder für mechanische Bewegung genutzt werden.

Magnetspulen (Solenoids)

Wenn ein Magnetfeld eines stromdurchflossenen Spulenkörpers auf ein nahegelegenes magnetisches Objekt – den Anker (Armature) – zieht, entsteht ein Magnetspule (Solenoid). Der Anker kann durch Gleich- oder Wechselstrom angetrieben werden, und die Polarität des Feldes ist für die Anziehung ferromagnetischen Materials irrelevant. Magnetspulen betätigen Türverriegelungen, Ventile, Roboter-Gelenke und Schaltermechanismen. Wenn eine Magnetspule Kontakte betätigt, wird das Gerät als Relais bezeichnet.

Relais

Relais sind unverzichtbar, um große Ströme oder Spannungen mit einem bescheidenen elektrischen Signal zu steuern. Die Spule zieht vielleicht nur wenige Milliampere, während die Kontakte hunderte Ampere führen können. Im Effekt verstärkt ein Relais ein niederleistungs-Steuersignal in eine hochleistungs-Aktion. Diese Eigenschaft macht Relais essenziell in Logikschaltungen und Industrieautomation.

Im obigen Schaltbild energetisiert eine 12-VDC-Spule einen Einpol-Einwurf-Kontakt, der einen 480-VAC-Stromkreis unterbricht. Typische Relaisspulen ziehen <1 A, während industrielle Kontakte für 10 A oder mehr ausgelegt sind.

Relaisaufbau

Ein Spulen/Anker-System kann mehrere Kontakte betätigen – normalerweise offen, normalerweise geschlossen oder gemischt. Die Kontakte befinden sich in ihrem „normalen“ Zustand, wenn die Spule stromlos ist. Kontakttypen umfassen offene Metallpads, Quecksilberröhrchen und magnetische Reeds, gewählt basierend auf Stromkapazität, Korrosionsbeständigkeit und Funkenunterdrückung.

Physische Relais-Gerätebeispiele

Drei kleine Oktal-Sockel-Relais, jeweils ca. zwei Zoll hoch, sind auf einem Schaltschrank in einer kommunalen Wasseraufbereitungsanlage montiert. Oktal-Sockel-Relais stecken in Fassungen, gesichert durch acht Metallstifte, was schnelles Entfernen und Ersetzen ermöglicht.

Weitere Vorteile von Relais

Relais bieten elektrische Isolation zwischen Spulen- und Kontaktstromkreis, sodass die eine Seite DC und die andere AC sein kann, oder auf völlig unterschiedlichen Spannungsebenen betrieben werden. Diese Isolation schützt empfindliche Steuerelektronik vor Hochspannungsspitzen.

Anzugs- und Abfallstrom (Pull-In und Drop-Out Current)

Relais zeigen Hysterese. Um zu betätigen, muss die Spule einen Mindeststrom liefern – den Anzugsstrom (Pull-In Current) – analog zum High-Eingangsschwellwert eines Logikgatters. Einmal in Position, genügt ein niedrigerer Strom, der Abfallstrom (Drop-Out Current), um den Anker dort zu halten. Der Unterschied zwischen Anzugs- und Abfallstrom erzeugt ein Schmitt-Trigger-ähnliches Verhalten, das sauberes Ein-/Ausschalten sicherstellt.

Zusammenfassung

• Eine Magnetspule (Solenoid) erzeugt mechanische Bewegung aus einer Elektromagneten-Spule; ihr beweglicher Teil ist der Anker (Armature).
• Ein Relais ist eine Magnetspule, die konfiguriert ist, Schaltkontakte beim Energetisieren zu betätigen.
• Anzugsstrom (Pull-In) ist der minimale Spulenstrom, um den Anker aus seinem Normalzustand zu bewegen.
• Abfallstrom (Drop-Out) ist der maximale Spulenstrom, unterhalb dessen der Anker in seinen Normalzustand zurückkehrt.

Verwandte Arbeitsblätter

• Basic Electromagnetic Relays Worksheet