Relais-Treiber erklärt: Funktion, Design und praktische Schaltungsanwendungen

Relais-Treiber sind elektronische Komponenten, die Sie in zahlreichen elektronischen Schaltungen und elektrischen Geräten antreffen werden. Verschiedene Relais-Typen kommen besonders bei der Schaltung von Netzspannungs-Lasten (AC) oder Hochleistungs-Übertragungsschaltungen stark zugute. Nicht nur das – sie sind auch günstig und praktisch einfach in der Anwendung, selbst für Einsteiger.

Ein Relais-Treiber

Quelle: Wikipedia

Heute lernen wir einfache Wege, um eine einfache Relais-Treiberschaltung zu konstruieren.

Was ist der Relais-Treiber?

Kurz gesagt: Ein Relais ist ein elektrisch betätigter Schalter. Eine Relais-Treiberschaltung ist ein Schaltungstyp, der ein Relais ansteuert und somit zu einer ordnungsgemäßen Schaltungsfunktion beiträgt. Der Relais-Schalter öffnet oder schließt entsprechend den Schaltungsanforderungen und -funktionen.

Beispiel einer Relais-Treiberschaltung

Quelle: Wikimedia

Wie funktioniert der TREIBER?

Funktionsprinzip

Gehen wir die folgenden Punkte durch, um das Funktionsprinzip eines Relais-Treibers zu verstehen:

• Eine Relaisstruktur besteht aus einem federbelasteten Kontakt und einer Spule, die ungestört über eine schwenkbare Achse bewegt wird.
• Der Mittelpol stellt sicher, dass beim Anlegen von Spannung an die Relaisspule dieser den N/C-Kontakt (Normally Closed) verbindet. Die Verbindung erfolgt, weil die Relaisspule einen elektromagnetischen Zug ausübt, der den Pol-Eisenkern anzieht.
• Schaltet man die Relaisspule später AUS, trennt sich der Mittelpol vom Normally Open (N/O) Anschluss. Er verbindet sich dann mit dem N/C-Schaltkontakt und kehrt in seine Standardkontaktposition zurück.

Generell schalten die AUS- und EIN-Vorgänge in einem Relais-Treiber abwechselnd zwischen N/C und N/O. Dies hängt hauptsächlich vom Zustand der Relaisspule ab.

Schaltbild eines funktionsfähigen Treibers

Berechnungsformel für Relais-Treiberschaltung

Der folgende Ausdruck gibt die Formel zur Berechnung des Basiswiderstands eines Transistors:

R = (Us – 0,6) × hFE / Relais-Spulenstrom

Wobei:

• R = Basiswiderstand des Transistors
• Us = Trigger-Spannung / Quelle zum Basiswiderstand
• hFE = Vorwärts-Stromverstärkung

Mit dem Ohmschen Gesetz lässt sich der Relaisstrom berechnen: I = Us/R. Hierbei ist:

• I = benötigter Relaisstrom
• Us = Versorgungsspannung

Aufbau einer Relais-Treiberschaltung

Einige Hinweise zur Relais-Treiber-Schaltung:

• 2N4401 für Niedrigleistungs-Relais verwenden.
• Ein Darlington-Treiber ist ideal für geringen Basisstrom oder Hochleistungs-Relais.
• ULN2003 eignet sich für mehrere Relais oder Lasten.
• Ein Enhancement-Mode-MOSFET passt für Relais-Ansteuerung durch CMOS-Logik.

Ein Leistungs-MOSFET

Quelle: Wikiwand

Pin-Belegung eines Relais-Treibers

Die Pin-Konfiguration von Relais-Treiberschaltungen hängt vom Hersteller ab. Daher ist es ratsam, das Datenblatt für genaue Informationen zu prüfen.

Allgemein haben die meisten jedoch folgende Anordnung:

• NO (Normally Open) = Wenn die Relaisspule erregt wird, verbindet sie sich mit dem gemeinsamen Anschluss und bleibt offen.
• NC (Normally Closed) = Wenn die Relaisspule de-erregt wird, kontaktiert sie den gemeinsamen Anschluss. Sie ist immer verbunden.
• Der dritte Kontaktpin ist der Mittelpol (Common).

Eine AC-Relais-Treiberschaltung

Eine Relais-Treiberschaltung läuft mit AC-Strom. Daher benötigen wir nur einen Transientenunterdrücker (Transient Suppressor) und eine ausreichende AC-Spannung, wie für das Relais spezifiziert.

Anstelle von Dioden zur Beseitigung von Spannungsspitzen nutzen wir sie, um Halbwellen zu alternieren. Wir schalten Dioden nicht antiparallel, um einen funktionsfähigen Transientenspannungsunterdrücker zu schaffen. Stattdessen verwenden wir ein RC-Reihenglied und schalten es parallel zur Spule. Der Widerstand regelt die Entladung, während der Kondensator überschüssige Ladung aufnimmt.

Benötigte Komponenten

• 0,05 µF Kondensator
• AC-Spannungsquelle
• AC-Relais
• 100 Ω Widerstand

Vorsicht: Gehen Sie mit der direkt aus der Steckdose kommenden Netzspannung äußerst vorsichtig um, um Stromschläge zu vermeiden.

Schaltbild

Das folgende Diagramm zeigt das Endergebnis nach Montage unserer AC-Relais-Treiberschaltung.

Schaltbild einer AC-Relais-Treiberschaltung

Wir speisen das AC-Relais lediglich mit einer AC-Spannung seines Nennwerts. Beispiel: Bei einer Nennrelaisspannung von 110 VAC benötigen wir 110 V von der AC-Stromquelle.

Widerstand und Kondensator in Reihe unterdrücken Spannungsspitzen als Transientenspannungsunterdrücker. Daher fungiert diese Seite der Schaltung als unser Relais-Treiber. Schließlich schaltet das Relais bei ausreichender Leistung ein und versorgt die angeschlossene Last augenblicklich mit Strom.

Eine DC-Relais-Treiberschaltung

Für DC-Relais-Schaltungen verwendet man Komponenten wie die Z-Diode zur Beseitigung von Spannungsspitzen beim Öffnen/Schließen des Treibers. Die Diode fungiert als Transientenspannungsunterdrücker. Die Relaisspulen wirken als Induktivitäten.

Benötigte Komponenten

• Z-Diode
• DC-Spannungsquelle / DC-Stromquelle wie Netzteile (Wall-Wart) und Batterien

Ein Wall-Wart-Adapter

Quelle: Wikipedia

• DC-Relais mit seinem Nenn-DC-Spannungswert.

Schaltbild

Schaltbild einer DC-Relais-Treiberschaltung

Das heute verwendete Relais hat eine 9V-Nennspannung. Daher eignet sich eine 9-Volt-DC-Spannungsquelle zur Speisung. Wir platzieren eine sperrgeschaltete Z-Diode parallel zu unserem Treiber. Sobald die Spannung einen bestimmten Schwellenwert erreicht, leitet der Kreis überschüssige Leistung zur Masse ab. Erreicht sie die Durchbruchspannung, lässt sie Stromfluss zu, indem sie leitet.

Letztlich schließt das Relais bei ausreichender Leistung und treibt die Ausgangslasten an.

Relais-Schaltschaltung mit NPN-Transistor

Elektronische Projekte zu Relais-Treiberschaltungen nutzen häufig MOSFETs und NPN-Transistoren als primäre Schaltbauelemente. Dies liegt daran, dass Transistoren schnelle DC-Schaltung (AUS/EIN) von Relaisspulen aus verschiedenen Eingangsquellen ermöglichen.

Benötigte Komponenten

• Widerstand – 1 kΩ
• Kondensator – 470 µF
• NPN-Transistor – BC 548
• LED-Anzeigen
• 1N4007 Diode

Schaltbild

Ein Relais-Schaltbild mit NPN-Transistor

Vorteile und Anwendungen des Relais-Treibers

Die Vorteile eines Relais-Treibers umfassen:

• Er verwendet günstige, allgemein verfügbare NPN-Treibtransistoren.
• Er hat wenige Bauteile.
• Er lässt sich einfach an eine Niederspannungs-Logikschaltung und eine Relais-Ökonomiefunktion anbinden.
• Seine Fertigung folgt Industriestandard-Techniken.
• Er bietet mehrere Schnittstellenoptionen, wie den ULN2003-Treiber.
• Die Relaisleistung kann durch eine höhere, ungeregelte Spannung gespeist werden, was die Last am Spannungsregler reduziert.

Anwendungen umfassen:

• Heizungen
• Motoren
• Lampen

Fazit

Alles in allem helfen Relais-Treiberschaltungen dabei, angeschlossene Lasten in elektronischen Systemen mühelos zu schalten. Meist wendet man den Treiber an, wenn man mehrere Verbraucher mit einem einzigen Signal steuern muss. Auch kann man ein Relais nutzen, um einen Stromkreis durch ein Niederspannungssignal zu regeln. Daher kann es lebensrettend für Ihre Projekte sein, zu wissen, wie man die Relais-Schaltung selbst aufbaut. Die gegebenen Beispiele sollten Ihnen weitgehend helfen.

Falls Sie dennoch Fragen zu einer Relais-Treiberschaltung haben, wenden Sie sich gerne an uns.