Relais: Typen, Anwendungen, Geschichte & Auswahlkriterien – Der umfassende Leitfaden

Die meisten elektronischen und mechanischen Geräte benötigen Relais, um kleine elektrische Eingänge in hochstromfähige Ausgänge umzusetzen. Historisch dienten Relais in Ferntelegrafenleitungen als Signalverstärker (Repeater): Das Signal aus einem Kreis wurde durch Übertragung in einen anderen Kreis aufgefrischt. In Telefonvermittlungsstellen und frühen Computern führten sie logische Operationen aus.

Es gibt viele Relais-Typen für unterschiedliche Anforderungen. Heute lernen Sie Definition, Funktionen, Anwendungen, Auswahlkriterien, Komponenten, Schaltplan, Typen und Funktionsweise – samt Vor- und Nachteilen.

Was ist ein Relais?

Ein Relais ist ein elektrischer Schalter, der über Elektromagnetismus kleine elektrische Reize in größere Ströme umsetzt. Ein elektrischer Eingang aktiviert Elektromagnete, die bestehende Schaltkreise schließen oder öffnen.

Durch Nutzung schwacher Eingänge zur Steuerung stärkerer Ströme wirken Relais effektiv als Schalter oder Verstärker – je nach Anwendung.

Ein Relais ist auch ein magnetisch betätigter Schalter, der aktiviert/deaktiviert wird, wenn ein Elektromagnet erregt wird. Die an den Eingangsklemmen anliegende Spannung erregt den Elektromagnet.

Erfunden wurde das Relais 1835 vom US-Wissenschaftler Joseph Henry.

Funktionen von Relais

• Primärfunktion: Schalterfunktion, wo Stromkreise gesteuert werden müssen.
• Manche Typen nutzen Elektromagnete zum Öffnen/Schließen von Kontakten.
• Schutz elektrischer Kreise vor Überlast/Fehlern – als Schutzrelais.
• Zeitverzögerte Funktionen: System läuft nur für festgelegte Zeit oder startet verzögert (Time-Delay-Relais).
• Schalten von Elektromotoren und Beleuchtungslasten.
• Ein Relais kann mehrere Kontakte verbinden, die gemeinsam bewegen (Spule erregt/abgeschaltet). Fällt ein Kontakt aus, blockieren die anderen – Sicherheitsrelais.
• Bei Funkgeräten: Ein Relais schaltet die Antenne zwischen Sender und Empfänger (Transmit-Receive-Relais).

Anwendungen von Relais

• Relais-Schaltungen realisieren Logikfunktionen – sicherheitskritische Logik.
• Zeitverzögerungsfunktionen: Verzögertes Öffnen/Schließen von Kontakten.
• Steuerung von Hochspannungskreisen mit Niedrigspannungssignalen; Niedrigstromsignale steuern Hochstromkreise.
• Geräteschutz: Erkennen von Empfangsstörungen und Isolation während der Übertragung.

Ein Überlastrelais ist ein elektromechanisches Bauteil zum Schutz von Motoren vor Stromausfall oder Überlast. Oft in Motoren verbaut, um vor plötzlichen Stromspitzen zu schützen. Die Funktion ähnelt dem Strom-Zeit-Verhalten, unterscheidet sich aber von Leitungsschutzschaltern und Sicherungen, die bei plötzlichem Auslösen den Motor hart abschalten. Thermisches Überlastrelais (häufigster Typ): Bimetallstreifen biegt sich bei Erwärmung durch Überstrom und öffnet den Kontaktor → Motor stromlos.

Der Kontakt zwischen Streifen und Kontaktor bewirkt dessen Abfallen und Unterbrechung der Motorstromversorgung.

Auswahlkriterien für Relais

• Schutz: Wie schützt das Relais vor Überlast/Spannungsspitzen? Kontakt- und Spulenschutz beachten. Kontaktprotektion reduziert Lichtbogen bei induktiven Lasten; Spulenschutz verringert Überspannung beim Schalten.
• Normkonforme Relais mit allen Zulassungen bevorzugen.
• Hochgeschwindigkeits-Schaltrelais für kurze Schaltzeiten.
• Strom- und Spannungswerte: Stromwerte von wenigen Ampere bis ~300 A, Spannung 300 V AC bis 600 V AC. Hochspannungsrelais bis ~15.000 V erhältlich.
• Isolierung zwischen Spulen- und Kontaktkreis beachten.
• Kontakttyp kennen: NC, NO oder Wechsler.
• "Make Before Break" oder "Break Before Make" – was passt zum System?

Komponenten eines Relais-Systems

• Rahmen: Träger für alle Teile.
• Spule: Drahtwicklung auf Metallkern – erzeugt Magnetfeld.
• Anker: Bewegliches Teil öffnet/schließt Kontakte; Feder führt in Ruhelage zurück.
• Kontakte: Leitende Teile für Make/Break.

Zwei Kreise: Erregerkreis (Spule) und Arbeitskreis (Kontakte). Spule erregt → Magnetfeld. AC: Polaritätswechsel 120×/Sekunde; DC: feste Polarität.

Magnetspule zieht ferromagnetische Platte (Teil des Ankers) an. Ein Ankerende am Rahmen gelagert (Schwenkpunkt), anderes Ende betätigt Kontakte in verschiedenen Konfigurationen – abhängig von Anzahl der Trennungen (Breaks), Pole und Throws. Beispiel: SPST (Single-Pole Single-Throw), DPST (Double-Pole Single-Throw).

Break (Trennung):

Anzahl getrennter Stellen, an denen ein Relais einen einzelnen Stromkreis öffnet/schließt. Single Break (SB): eine Stelle; Double Break (DB): zwei Stellen. SB für Niedrigleistung (Signallampen), DB für Hochleistung (Magnete).

Pole (Polzahl):

Anzahl getrennter Stromkreise, die ein Relais schalten kann. Single-Pole (SP): ein Kreis; Double-Pole (DP): zwei isolierte Kreise simultan. Maximal 12 Pole je nach Design.

Throw (Wurfzahl):

Anzahl geschlossener Kontaktstellungen pro Pol. Single-Throw: ein Kreis; Double-Throw: zwei Kreise.

Kurz: Ein elektromagnetisches Relais besteht aus Spule auf Weicheisenkern (Solenoid), Eisenjoch (geringer magnetischer Widerstand), beweglichem Eisenanker und einem/mehreren Kontaktsätzen.

Relais-Schaltplan:

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Typen von Relais

Selbsthaltende Relais (Latching Relays):

Behalten ihren Zustand nach Ansteuerung bei – auch Impulsrelais, Haltrelais oder Stay-Relais genannt. Begrenzen Leistungsaufnahme und -verlust. Interne Magnete halten Kontaktposition nach Spulenerregung – keine Halteleistung nötig. Zustand bleibt auch nach Spulenabschaltung erhalten.

Halbleiterrelais (Solid State Relays – SSRs):

Nutzen BJTs, Thyristoren, IGBTs, MOSFETs, TRIACs zum Schalten. Gegenüber elektromechanischen Relais viel höhere Leistung, da Steuerleistung viel geringer. Für AC und DC geeignet. Hohe Schaltgeschwindigkeiten (keine mechanischen Kontakte). Sensor im SSR reagiert auf Steuersignal und schaltet Last ein/aus.

Reed-Relais:

Wie elektromechanische Relais mit mechanischer Kontaktbetätigung, aber geringere Masse und kleinere Kontakte. Reed-Kontakt als Anker gewickelt: Glaskolben mit Inertgas, zwei überlappende ferromagnetische Schilfblätter, hermetisch dicht.

Differenzialrelais:

Ansprechen, wenn Phasendifferenz von zwei/mehr gleichen elektrischen Größen einen Schwellwert überschreitet. Stromdifferenzialrelais vergleichen Betrag und Phasenlage der ein-/ausfließenden Ströme im Schutzobjekt. Normalbetrieb: Ströme gleich groß und phasengleich → Relais inaktiv. Fehler: Ströme ungleich → Auslösung.

Polrelais (Polarized Relays):

Empfindlich gegenüber Stromrichtung. DC-Elektromagnetrelais mit zusätzlichem Dauermagnetfeld zur Ankerbewegung. Magnetkreis aus Dauermagneten, Elektromagneten, Anker. Statt Federkraft nutzen sie magnetische Anziehung/Abstoßung. Anker ist Dauermagnet zwischen Polschuhen des Elektromagneten.

Buchholz-Relais:

Gasbetätigte Relais. Erkennen beginnende (inkompetente) Fehler, die anfangs gering, später schwerwiegend werden. Hauptsächlich Transformatorschutz, Einbau in Kammer zwischen Transformatorbehälter und Ausdehnungsgefäß. Nur für Öltrafos in Energieübertragung/Verteilung. Funktionsweise siehe Abbildung.

IDMT-Relais (Inverse Definite Minimum Time):

Bieten definitiv-zeitliches Stromverhalten bei hohem Fehlerstrom und invers-zeitliches bei niedrigem. Weit verbreitet zum Schutz von Verteilnetzen, ermöglichen Strom- und Zeiteinstellung. Betriebszeit etwa umgekehrt proportional zum Fehlerstrom im Ansprechbereich.

Überlastschutzrelais:

Speziell für Überstromschutz von Elektromotoren und Kreisen. Verschiedene Typen: Fest-Bimetall, elektronisch, austauschbare Heizbimetalle etc. Bei Motorüberlastung schützen diese Relais vor Überstrom. Überlastsensorik (wärmebetätigtes Relais) nötig: Spule erhitzt Bimetallstreifen oder Löttopf → Schmelzen → Auslösung.

Funktionsweise

Das Prinzip hängt vom Typ ab. Ein einfaches elektromagnetisches Relais: Spule auf Weicheisenkern, Eisenjoch (geringer magnetischer Widerstand), beweglicher Eisenanker, ein/mehrere Kontaktsätze.

Anker am Joch angelenkt, mechanisch mit beweglichen Kontakten gekoppelt. Feder hält Anker in Ruhelage (Luftspalt im Magnetkreis bei deenergisiert). Ein Kontaktsatz geschlossen, anderer offen (je nach Typ).

Bei Stromdurchfluss durch Spule → Magnetfeld → Ankerbewegung → bewegliche Kontakte machen oder brechen Verbindung mit festen Kontakten. War Kontakt bei deenergisiert geschlossen → Öffnung; war offen → Schließung. Nach Spulenabschaltung kehrt Anker über Rückstellkraft (~halb so stark wie Magnetkraft) in Ruhelage zurück – meist Feder, in Industriemotorstartern auch Schwerkraft.

Video zur Funktionsweise von Relais:

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Vor- und Nachteile von Relais

Vorteile:

• Fernsteuerung von Geräten möglich.
• Kontakte einfach umschaltbar.
• Trennung von Ansteuer- und Betätigungsteil.
• Funktioniert gut bei hohen Temperaturen.
• Ansteuerbar mit geringem Strom, kann große Maschinen hoher Leistung schalten.
• Ein Signal steuert mehrere Kontakte gleichzeitig.
• Gleich- und Wechselstrom schaltbar.

Nachteile:

• Kontakte verschleißen im Lauf der Zeit (Abnutzung, Oxidation).
• Hohe Schaltzeit.
• Schaltgeräusche (Ein-/Ausschalten) können stören.

Fazit

Relais sind vielseitige Bauteile für unterschiedlichste Zwecke – je nach gewünschtem Relais-Effekt. Dieser tiefgehende Artikel deckte Definition, Funktionen, Anwendungen, Auswahlkriterien, Typen und Funktionsweise ab – samt Vor- und Nachteilen.

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