Expertenleitfaden für elektronische Relais-Schaltkreise: NPN, PNP und N-/P-Kanal-Designs

Schaltplan und Funktionsweise elektronischer Relais-Schaltkreise

Es gibt eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Bauelemente, die als Ausgänge klassifiziert werden. Solche Geräte dienen zur Steuerung oder zum Betrieb externer physikalischer Prozesse von Maschinen oder Geräten. Diese Ausgabegeräte werden allgemein als Aktoren bezeichnet.

Diese Aktoren wandeln elektrische Energie in physikalische Größen wie Kraft, Geschwindigkeit etc. um. Ein Relais ist im Grunde ein binärer Aktor mit zwei stabilen Zuständen. In diesem Artikel besprechen wir die Details von Relais-Schaltkreisen, deren Designs und Eigenschaften.

Was sind elektrische Relais?

Dies sind elektrisch betätigte Schalter, die in verschiedenen Formen, Größen und Leistungsbereichen erhältlich sind. Elektrische Relais eignen sich für nahezu jede Art von Anwendung. Relais können einzelne oder mehrere Kontakte in einem einzigen Gehäuse enthalten. Die größeren Leistungsrelais werden hauptsächlich für Netzspannungs- oder Hochstromschaltanwendungen eingesetzt, die als „Schütze“ bezeichnet werden. Sehen wir uns die Klassifizierung von Relais an.

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Elektrische Relais lassen sich grundsätzlich in zwei Unterkategorien einteilen:

Elektromechanische Relais:

Wie der Name schon sagt, sind elektromechanische Relais elektromagnetische Geräte. Sie wandeln einen durch ein elektrisches Steuersignal erzeugten magnetischen Fluss in eine ziehende mechanische Kraft um, die die elektrischen Kontakte im Relais betätigt. Die einfachste und häufigste Form elektromechanischer Relais besteht aus einer Erregerspule, die um einen permeablen Eisenkern gewickelt ist. Diese Erregerspule wird auch Primärkreis genannt.

Elektromechanische Relais werden in allgemeinen elektrischen und elektronischen Steuer- oder Schaltkreisen eingesetzt. Diese werden entweder direkt auf Leiterplatten montiert oder als freistehende Einheiten angeschlossen. In freistehender Konfiguration liegen die Lastströme normalerweise im Amperebereich.

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Aufbau eines elektromechanischen Relais

Relais sind in zwei Modi konfiguriert: „Normalerweise offen“ (NO) oder „Normalerweise geschlossen“ (NC). Ein Kontaktpaar wird als Normalerweise Offen (NO) oder Schließerkontakte bezeichnet, das andere als Normalerweise Geschlossen (NC) oder Öffnerkontakte.

In der normalerweise „offenen“ Position sind die Kontakte nur geschlossen, wenn der Feldstrom „EIN“ ist. In der normalerweise „EIN“-Position werden die Schaltkontakte zur Induktivspule hingezogen. Eines der wichtigsten Teile jedes elektrischen Relais ist die Spule. Diese wandelt elektrischen Strom in einen elektromagnetischen Fluss um. Diese magnetischen Flüsse werden genutzt, um die Relaiskontakte mechanisch zu betätigen. Das größte Problem bei Relaisspulen ist, dass sie „hochinduktive Lasten“ darstellen. Die Relaisspule besteht im Allgemeinen aus Drahtwicklungen.

Wenn Strom durch die Spule fließt, wird ein selbstinduziertes Magnetfeld um sie herum erzeugt. Wird der Strom in der Spule „AUS“ geschaltet, entsteht eine große rückwärtige EMK-Spannung. Dies ist auf die Kollision des magnetischen Flusses mit der Spule zurückzuführen. Der induzierte Gegenwert der Spannung ist im Vergleich zur Schaltspannung sehr hoch. Diese Spannung kann Halbleiterbauelemente wie Transistoren, FETs oder Mikrocontroller, die zum Betätigen des Relais verwendet werden, beschädigen.

Hinweis: Die Begriffe „Normalerweise Offen“ und „Normalerweise Geschlossen „oder Schließer und Öffnerkontakte beziehen sich auf den Zustand der elektrischen Kontakte, wenn die Relaisspule „stromlos“ ist, d. h., keine Versorgungsspannung an der Relaisspule anliegt.

Ein wichtiger Punkt bei der Verwendung elektrischer Relais: „Es ist nicht ratsam, Relaiskontakte parallel zu schalten, um höhere Lastströme zu bewältigen“. Beispiel: Versuchen Sie niemals, eine 10-A-Last mit zwei parallel geschalteten Relaiskontakten zu versorgen, die jeweils eine Kontaktbewertung von 5 A haben.

Relaiskontakte bestehen aus leitfähigen Stücken, die den Stromdurchlass ermöglichen, wenn sie in Kontakt kommen. Sie sind wie ein Schalter konstruiert. Sobald die Kontakte geöffnet sind, wird der Widerstand zwischen ihnen sehr hoch. Dies führt zu einem offenen Stromkreis, und kein Strom fließt durch das Relais.

Nach einiger Zeit verschleißen die beweglichen Teile des elektromechanischen Relais und fallen aus, oder ständiges Lichtbogen und Erosion machen das Relais unbrauchbar. Zudem sind sie elektrisch rauschend, wobei die Kontakte unter Kontaktprellen leiden, was den angeschlossenen elektrischen Stromkreis beeinträchtigen kann. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde ein anderer Relais-Typ entwickelt: das Halbleiterrelais (Solid State Relay).

Halbleiterrelais (Solid State Relay):

Das Halbleiterrelais hat keine beweglichen Teile. Es ist ein rein elektronisches Bauelement, da die mechanischen Kontakte durch Leistungstransistoren, Thyristoren oder Triacs ersetzt werden.

Das Fehlen beweglicher Teile macht das Relais hochzuverlässig, langlebig und reduziert elektromagnetische Störungen. Dadurch ist das Halbleiterrelais im Vergleich zum konventionellen elektromechanischen Relais viel schneller und präziser. Die Eingangsleistungsanforderungen des Halbleiterrelais für die Steuerung sind im Allgemeinen so gering, dass sie mit den meisten IC-Familien kompatibel sind.

Da das Ausgangsschaltbauelement eines Halbleiterrelais ein Halbleiterbauelement ist, ist der Spannungsabfall an den Ausgangsklemmen eines SSR im „EIN“-Zustand deutlich höher als bei einem elektromechanischen Relais. Typischerweise liegt er zwischen 1,5 und 2,0 Volt. Ein zusätzlicher Kühlkörper wird erforderlich, um große Ströme über längere Zeiträume zu schalten.

Sie können sie ohne zusätzliche Treiber oder Verstärker verwenden. Sie müssen jedoch auf geeigneten Kühlkörperplatten oder -materialien montiert werden, um eine Überhitzung des Ausgangsschalthalbleiters zu verhindern, da es sich um ein Halbleiterbauelement handelt. Das Design und die Art von Relais-Schaltkreisen sind sehr vielfältig. Ein Relais schaltet einen oder mehrere Pole, ähnlich wie ein einfacher Schaltkreis. Jeder Pol eines Relais hat Kontakte, die auf drei verschiedene Arten geschaltet werden können:

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Verschiedene Arten, wie ein Relais geschaltet werden kann:

• Normalerweise Offener Kontakt (NO): Auch als Schließerkontakt bezeichnet. Dieser Kontakt schließt den Stromkreis, wenn das Relais aktiviert wird. Er trennt den Stromkreis, wenn das Relais inaktiv ist.
• Normalerweise Geschlossener Kontakt (NC): Als Öffnerkontakt bekannt. Die Funktion ist entgegengesetzt zum NO-Kontakt. Wenn das Relais aktiviert wird, wird der Stromkreis getrennt. Wenn das Relais deaktiviert wird, wird der Stromkreis geschlossen.
• Wechselkontakt (CO) / Doppelwurfkontakt (DT): Sie werden verwendet, um einen NO-Kontakt und einen NC-Kontakt mit einem gemeinsamen Anschluss zu steuern. Das bedeutet, sie steuern zwei Arten von Schaltkreisen. Je nach Typ werden sie als „Trennen vor Schließen“ und „Schließen vor Trennen“ bezeichnet.

Wichtig:

Relais sind für zwei grundlegende Betriebsarten ausgelegt. Eine für Niedervoltanwendungen und die andere für Hochspannung. Für Niedervoltanwendungen ist das Relais darauf ausgelegt, das Rauschen des gesamten Schaltkreises zu reduzieren. Für Hochspannungsanwendungen sind sie hauptsächlich darauf ausgelegt, den Lichtbogen zu reduzieren.

Einige gängige Arten der Relaisansteuerung:

Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenmodul-Relais (I/O-Module) sind ein weiterer Typ von Halbleiterrelais, der speziell dafür entwickelt wurde, Geräte wie Computer, Mikrocontroller oder PICs mit Lasten und Schaltern zu verbinden. Es gibt im Wesentlichen vier Arten von I/O-Modulen auf dem Markt.

Dies sind AC- oder DC-Eingangsspannung auf TTL- oder CMOS-Logikpegel-Ausgang, und TTL- oder CMOS-Logikeingang auf AC- oder DC-Ausgangsspannung. Jedes Modul enthält die gesamte notwendige Schaltung, um eine vollständige Schnittstelle und Isolierung in einem einzigen Gerät bereitzustellen. Sie sind als einzelne Halbleitermodule oder in 4-, 8- oder 16-Kanal-Geräten integriert erhältlich.

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NPN-Relais-Schaltkreis:

Ein typischer NPN-Relais-Schaltkreis hat die Spule, die von einem NPN-Transistorschalter angetrieben wird. Wenn die Basisspannung des Transistors null beträgt, befindet sich der Transistor im Sperrbereich und wirkt als offener Schalter. In dieser Situation fließt kein Kollektorstrom, und die Relaisspule ist stromlos.

Wenn kein Strom in die Basis fließt, fließt auch kein Strom durch die Relaisspule. Wird nun ein großer positiver Strom in die Basis geleitet, um den NPN-Transistor in den Sättigungsbereich zu treiben, beginnt der Strom von der Basis zum Emitter zu fließen.

PNP-Relais-Schaltkreis:

Der PNP-Relais-Schaltkreis benötigt eine andere Polarität der Betriebsspannung. Er ist dem NPN-Relais-Schaltkreis hinsichtlich seiner Fähigkeit, die Relaisspule zu steuern, ähnlich. Zum Beispiel muss die Kollektor-Emitter-Spannung beim PNP-Typ negativ sein, damit Strom vom Emitter zum Kollektor fließen kann.

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N-Kanal-Relais-Schaltkreise:

Die MOSFET-Relais-Schaltfunktion ähnelt stark der eines Bipolartransistors (BJT) als Schalter. Der Hauptunterschied besteht darin, dass MOSFETs spannungsgesteuerte Bauelemente sind. Der Gate-Anschluss ist jedoch elektrisch vom Drain-Source-Kanal isoliert. N-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs sind der am häufigsten verwendete MOSFET-Typ. Eine positive Spannung am Gate schaltet den MOSFET „EIN“, eine negative Spannung am Gate macht ihn „AUS“. Dies macht ihn ideal für MOSFET-Relais-Schalter.

P-Kanal-Relais-Schaltkreise:

Im Gegensatz zum N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET arbeitet er nur mit negativen Gate-Spannungen. In dieser Konfiguration ist der Source-Anschluss des P-Kanal-MOSFET mit +Vdd und der Drain-Anschluss mit Masse verbunden. Beide sind über die Relaisspule miteinander verbunden. Wird ein HIGH-Pegel an den Gate-Anschluss angelegt, wird der P-Kanal-MOSFET folglich „AUS“ geschaltet.

Wichtige Punkte bei der Auswahl eines geeigneten Relais:

• Stellen Sie sicher, dass sie über einen guten Spulenschutz und Kontaktschutz verfügen
• Achten Sie auf Standardrelais mit behördlichen Zulassungen
• Wählen Sie Hochgeschwindigkeits-Schaltrelais
• Wählen Sie den Kontakttyp sorgfältig aus
• Stellen Sie sicher, dass eine Isolation zwischen dem Spulenkreis und den Kontakten in Ihrem Relais besteht

Lassen Sie uns die Funktionsweise eines Relais-Schaltkreises an einem Beispiel verstehen:

Angenommen, Sie müssen eine Kompaktleuchtstofflampe (CFL) mit einem Relais-Schalter einschalten. In diesem Relais-Schaltkreis verwenden wir einen Taster, um ein 5-V-Relais auszulösen, das wiederum den zweiten Stromkreis schließt und die Lampe einschaltet.

Sammeln Sie die folgenden Komponenten für den Schaltkreisaufbau:

• Relais 5V
• Lampenfassung
• CFL
• Ein/Aus-Taster
• Lochrasterplatine
• 9V-Batterie
• AC-Netzversorgung

Ein typischer Ein/Aus-Schalter wird für den Schaltzweck des Relais hinzugefügt. Im obigen Schaltkreis wird das 5-V-Relais von einer 9-V-Batterie gespeist. Anfangs, wenn der Schalter offen ist, fließt kein Strom durch die Spule. Folglich ist der Common-Anschluss des Relais mit dem „NO“ (Normalerweise Offen) Kontakt verbunden. Daher bleibt die LAMPE „AUS“.

Wenn der Schalter geschlossen wird, beginnt Strom durch die Spule zu fließen. Hier wird ein Magnetfeld in der Spule erzeugt, das den beweglichen Anker durch elektromagnetische Induktion anzieht, und der Common-Anschluss wird mit dem NC (Normalerweise Geschlossen) Kontakt des Relais verbunden. Folglich schaltet die CFL „EIN“.

Die Hauptnachteile von Halbleiterrelais im Vergleich zu einem gleichwertigen elektromechanischen Relais sind ihre höheren Kosten. Es sind nur Einpol-Einwurf-Typen verfügbar. Im „AUS“-Zustand fließen Leckströme durch das Schaltbauelement, und ein hoher „EIN“-Zustands-Spannungsabfall und Leistungsverlust führen zu zusätzlichen Kühlkörperanforderungen. Zudem können typische Halbleiterrelais keine sehr kleinen Lastströme oder Hochfrequenzsignale wie Audio- oder Videosignale schalten. Für diese Anwendungen sind jedoch spezielle Halbleiterschalter erhältlich.

Sowohl elektromechanische Relais als auch Halbleiterrelais sind im täglichen Leben von großer Bedeutung. Sie können je nach Anforderung in Ihrem Gerätいずれか auswählen. Halbleiterrelais haben einen eher großen und vielleicht einschüchternden Anschaffungspreis im Vergleich zu elektromechanischen Relais.

Die Bewegung dieses Halbleiterrelais-Kontakts wird jedoch durch elektromagnetische Kräfte aus dem Niederspannungseingangssignal erzeugt. Dies ermöglicht den Abschluss des Stromkreises, der das Hochleistungssignal enthält. Daher sind Halbleiterrelais den elektromechanischen überlegen. Elektromechanische Relais basieren auf einer relativ alten Technologie, die einen einfachen mechanischen Designansatz verwendet.

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Anwendungen:

Es gibt eine breite Palette von Relaisanwendungen. Einige der häufigsten sind:

• Relais-Schaltkreise können zur Realisierung logischer Funktionen verwendet werden
• Sie bieten auch sicherheitskritische Logik
• Relais können zur Bereitstellung von Zeitverzögerungsfunktionen eingesetzt werden
• Sie werden verwendet, um Hochstromkreise mit Hilfe von Niedrigstromsignalen zu steuern

In diesem Artikel haben wir die verschiedenen Arten von Relais, ihre Funktionsweise und Anwendungen besprochen. Nun verfügen Sie über ein gutes Wissen über Relais und ihre Funktionen. Nach dem Lesen dieses Artikels werden Sie in der Lage sein, ein Relais eigenständig ohne Unannehmlichkeiten zu entwerfen.

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