Elektromagnetisches Relais: Gerät, Kennzeichnung, Typen + Einzelheiten zum Anschluss und zur Einstellung
Umwandlung elektrischer Signale in die entsprechende physikalische Größe – Bewegung, Kraft, Schall usw.usw. erfolgt über Antriebe. Ein Antrieb sollte als Wandler klassifiziert werden, da es sich um ein Gerät handelt, das eine physikalische Größe in eine andere umwandelt.
Der Antrieb wird normalerweise durch ein Niederspannungs-Befehlssignal aktiviert oder gesteuert. Basierend auf der Anzahl der stabilen Zustände wird es außerdem als binäres oder kontinuierliches Gerät klassifiziert. Somit ist ein elektromagnetisches Relais ein binärer Antrieb, der zwei verfügbare stabile Zustände berücksichtigt: Ein – Aus.
Der vorgestellte Artikel untersucht detailliert die Funktionsprinzipien eines elektromagnetischen Relais und den Einsatzbereich der Geräte.
Der Inhalt des Artikels:
Grundlagen des Antriebsdesigns
Der Begriff „Relais“ ist charakteristisch für Geräte, die über ein Steuersignal eine elektrische Verbindung zwischen zwei oder mehr Punkten herstellen.
Der gebräuchlichste und am weitesten verbreitete Typ elektromagnetischer Relais (EMR) ist die elektromechanische Bauweise.
Das grundlegende Steuerungsschema für jedes Gerät bietet immer die Möglichkeit, es ein- und auszuschalten. Der einfachste Weg, diese Schritte durchzuführen, ist die Verwendung von Power-Lock-Schaltern.
Zur Steuerung können manuell betätigte Schalter verwendet werden, die jedoch Nachteile haben. Ihr offensichtlicher Nachteil besteht darin, dass der „Ein“- oder „Aus“-Zustand physisch, also manuell, eingestellt wird.
Handschaltgeräte sind in der Regel groß dimensioniert, träge und können kleine Ströme schalten.
Mittlerweile werden elektromagnetische Relais hauptsächlich durch elektrisch gesteuerte Schalter repräsentiert. Die Geräte haben unterschiedliche Formen, Abmessungen und sind nach ihrer Nennleistungsstufe unterteilt. Die Einsatzmöglichkeiten sind umfangreich.
Solche Geräte, die mit einem oder mehreren Kontaktpaaren ausgestattet sind, können Teil einer einzigen Konstruktion größerer Leistungsaktoren sein – Schütze, die zum Schalten von Netzspannungs- oder Hochspannungsgeräten verwendet werden.
Grundprinzipien des EMR-Betriebs
Traditionell werden elektromagnetische Relais als Teil elektrischer (elektronischer) Schaltsteuerkreise verwendet. Dabei erfolgt die Montage entweder direkt auf Leiterplatten oder in freier Position.
Allgemeiner Aufbau des Gerätes
Die Lastströme der verwendeten Produkte werden üblicherweise von Bruchteilen eines Ampere bis 20 A oder mehr gemessen. Relaisschaltungen sind in der elektronischen Praxis weit verbreitet.
Die Konstruktion eines elektromagnetischen Relais wandelt den magnetischen Fluss, der durch die angelegte Wechsel-/Gleichspannung erzeugt wird, in mechanische Kraft um. Dank der resultierenden mechanischen Kraft wird die Kontaktgruppe gesteuert.
Das gebräuchlichste Design ist eine Produktform, die die folgenden Komponenten umfasst:
- Erregerspule;
- Stahlkern;
- Stützchassis;
- Kontaktgruppe.
Der Stahlkern besteht aus einem festen Teil, der als Wippe bezeichnet wird, und einem beweglichen, federbelasteten Teil, der als Anker bezeichnet wird.
Im Wesentlichen ergänzt der Anker den Magnetfeldkreis, indem er den Luftspalt zwischen der stationären elektrischen Spule und dem beweglichen Anker schließt.
Der Anker bewegt sich auf Scharnieren oder dreht sich frei unter dem Einfluss des erzeugten Magnetfelds. Dadurch werden die an den Armaturen angebrachten elektrischen Kontakte geschlossen.
Typischerweise bringen eine oder mehrere Rückholfedern zwischen dem Kipphebel und dem Anker die Kontakte in ihre ursprüngliche Position zurück, wenn die Relaisspule stromlos ist.
Betrieb des elektromagnetischen Relaissystems
Ein einfaches klassisches EMR-Design verfügt über zwei Sätze elektrisch leitender Kontakte.
Darauf aufbauend werden zwei Zustände der Kontaktgruppe realisiert:
- Normalerweise offener Kontakt.
- Öffnerkontakt.
Dementsprechend wird ein Kontaktpaar als normalerweise offen (NO) oder, in einem anderen Zustand, als normalerweise geschlossen (NC) klassifiziert.
Bei einem Relais mit normalerweise offener Kontaktposition wird der „geschlossene“ Zustand nur erreicht, wenn der Feldstrom durch die Induktionsspule fließt.
Bei einer anderen Option bleibt die normalerweise geschlossene Position der Kontakte konstant, wenn im Spulenkreis kein Erregerstrom vorhanden ist. Das heißt, die Schaltkontakte kehren in ihre normale geschlossene Position zurück.
Daher sollten sich die Begriffe „normalerweise offen“ und „normalerweise geschlossen“ auf den Zustand der elektrischen Kontakte beziehen, wenn die Relaisspule stromlos ist, d. h. die Relaisversorgungsspannung ausgeschaltet ist.
Elektrische Relaiskontaktgruppen
Bei Relaiskontakten handelt es sich in der Regel um elektrisch leitende Metallelemente, die sich berühren und einen Stromkreis schließen, ähnlich wie ein einfacher Schalter.
Bei geöffneten Kontakten wird der Widerstand zwischen den Schließerkontakten als hoher Wert in Megaohm gemessen. Dadurch entsteht ein Zustand eines offenen Stromkreises, wenn der Stromfluss im Spulenkreis verhindert wird.
Bei geschlossenen Kontakten müsste der Kontaktwiderstand theoretisch Null sein – die Folge eines Kurzschlusses.
Dieser Zustand wird jedoch nicht immer eingehalten.Die Kontaktgruppe jedes einzelnen Relais weist im „geschlossenen“ Zustand einen bestimmten Kontaktwiderstand auf. Dieser Widerstand wird als stabil bezeichnet.
Merkmale des Durchgangs von Lastströmen
Bei der Installation eines neuen elektromagnetischen Relais wird festgestellt, dass der Schaltkontaktwiderstand gering ist und normalerweise weniger als 0,2 Ohm beträgt.
Das lässt sich ganz einfach erklären: Neue Spitzen bleiben vorerst sauber, mit der Zeit erhöht sich jedoch zwangsläufig der Widerstand der Spitze.
Bei Kontakten, die beispielsweise einen Strom von 10 A führen, beträgt der Spannungsabfall 0,2 x 10 = 2 Volt (Ohmsches Gesetz). Daraus ergibt sich, dass die Spannung für die Last 10 Volt (12-2) beträgt, wenn die der Kontaktgruppe zugeführte Versorgungsspannung 12 Volt beträgt.
Wenn metallische Kontaktspitzen verschleißen, ohne dass sie ausreichend vor hohen induktiven oder kapazitiven Lasten geschützt sind, ist ein Lichtbogenschaden unvermeidlich.
Ein Lichtbogen – Funkenbildung an den Kontakten – führt zu einer Erhöhung des Übergangswiderstands der Spitzen und in der Folge zu physikalischen Schäden.
Wenn Sie das Relais in diesem Zustand weiterhin verwenden, können die Kontaktspitzen ihre physikalischen Kontakteigenschaften vollständig verlieren.
Aber es gibt noch einen schwerwiegenderen Faktor, wenn ein Lichtbogenschaden dazu führt, dass die Kontakte zusammenschweißen und ein Kurzschluss entsteht.
In solchen Situationen besteht die Gefahr einer Beschädigung des vom EMR gesteuerten Stromkreises.
Erhöht sich also der Kontaktwiderstand durch den Einfluss des Lichtbogens um 1 Ohm, erhöht sich der Spannungsabfall an den Kontakten bei gleichem Laststrom auf 1 × 10 = 10 Volt Gleichspannung.
Dabei kann die Größe des Spannungsabfalls an den Kontakten für den Lastkreis unzulässig sein, insbesondere wenn mit Versorgungsspannungen von 12-24 V gearbeitet wird.
Materialtyp des Relaiskontakts
Um den Einfluss des Lichtbogens und hoher Widerstände zu reduzieren, werden die Kontaktspitzen moderner elektromechanischer Relais mit verschiedenen Silberbasislegierungen gefertigt oder beschichtet.
Dadurch ist es möglich, die Lebensdauer der Kontaktgruppe deutlich zu verlängern.
In der Praxis werden zur Bearbeitung der Spitzen von Kontaktgruppen elektromagnetischer (elektromechanischer) Relais folgende Materialien verwendet:
- Ag – Silber;
- AgCu – Silber-Kupfer;
- AgCdO – Silber-Cadmiumoxid;
- AgW – Silber-Wolfram;
- AgNi - Silber-Nickel;
- AgPd – Silber-Palladium.
Die Erhöhung der Lebensdauer der Spitzen der Relaiskontaktgruppen durch Reduzierung der Lichtbogenanzahl wird durch den Anschluss von Widerstandskondensatorfiltern, auch RC-Dämpfer genannt, erreicht.
Diese elektronischen Schaltkreise sind parallel zu Kontaktgruppen elektromechanischer Relais geschaltet. Die Spannungsspitze, die im Moment des Öffnens der Kontakte festgestellt wird, scheint bei dieser Lösung sicher kurz zu sein.
Durch den Einsatz von RC-Dämpfern ist es möglich, den an den Kontaktspitzen entstehenden Lichtbogen zu unterdrücken.
Typischer Aufbau von EMR-Kontakten
Zur Mechanik der Relaisschaltung gehört neben den klassischen Schließerkontakten (NO) und Öffnerkontakten (NC) auch die Einteilung nach Wirkung.
Merkmale der Gestaltung von Verbindungselementen
Elektromagnetische Relaiskonstruktionen in dieser Ausführungsform ermöglichen einen oder mehrere separate Schaltkontakte.
Die Gestaltung der Kontakte ist durch folgende Abkürzungen gekennzeichnet:
- SPST (Single Pole Single Throw) – einpolig, unidirektional;
- SPDT (Single Pole Double Throw) – einpolig, bidirektional;
- DPST (Double Pole Single Throw) – bipolar unidirektional;
- DPDT (Double Pole Double Throw) – bipolar bidirektional.
Jedes dieser Verbindungselemente wird als „Pol“ bezeichnet. Jeder von ihnen kann angeschlossen oder zurückgesetzt werden, wodurch gleichzeitig die Relaisspule aktiviert wird.
Feinheiten der Verwendung von Geräten
Trotz der Einfachheit des Aufbaus elektromagnetischer Schalter gibt es bei der Verwendung dieser Geräte einige Feinheiten.
Experten raten daher grundsätzlich davon ab, alle Relaiskontakte parallel zu schalten, um auf diese Weise einen Hochstrom-Lastkreis zu schalten.
Schließen Sie beispielsweise eine 10-A-Last an, indem Sie zwei Kontakte parallel schalten, die jeweils für einen Strom von 5 A ausgelegt sind.
Diese Installationsfeinheiten sind darauf zurückzuführen, dass die Kontakte mechanischer Relais niemals gleichzeitig schließen oder öffnen.
Dadurch wird in jedem Fall einer der Kontakte überlastet.Und selbst unter Berücksichtigung einer kurzfristigen Überlastung ist ein vorzeitiger Ausfall des Gerätes in einer solchen Verbindung vorprogrammiert.
Elektromagnetische Produkte können als Teil elektrischer oder elektronischer Schaltkreise mit geringem Stromverbrauch als Schalter relativ hoher Ströme und Spannungen eingesetzt werden.
Es wird jedoch grundsätzlich davon abgeraten, unterschiedliche Lastspannungen über benachbarte Kontakte desselben Geräts zu leiten.
Schalten Sie beispielsweise zwischen 220 V AC und 24 V DC um. Aus Sicherheitsgründen sollten für jede Option immer separate Produkte verwendet werden.
Verpolungsschutztechniken
Ein wesentlicher Bestandteil jedes elektromechanischen Relais ist die Spule. Dieser Teil wird als Last mit hoher Induktivität eingestuft, da er drahtgewickelt ist.
Jede drahtgewickelte Spule hat eine gewisse Impedanz, bestehend aus der Induktivität L und dem Widerstand R, und bildet so eine Reihenschaltung LR.
Wenn Strom durch die Spule fließt, entsteht ein äußeres Magnetfeld. Wenn der Stromfluss in der Spule im „Aus“-Modus gestoppt wird, erhöht sich der magnetische Fluss (Transformationstheorie) und es wird eine hohe umgekehrte EMF-Spannung (elektromotorische Kraft) erzeugt.
Dieser induzierte Sperrspannungswert kann um ein Vielfaches größer sein als die Schaltspannung.
Daher besteht die Gefahr einer Beschädigung aller Halbleiterbauteile, die sich in der Nähe des Relais befinden. Zum Beispiel ein Bipolar- oder Feldeffekttransistor, der zum Anlegen einer Spannung an eine Relaisspule verwendet wird.
Eine Möglichkeit, Schäden an einem Transistor oder einem schaltenden Halbleiterbauelement, einschließlich Mikrocontrollern, zu verhindern, besteht darin, eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode an den Relaisspulenkreis anzuschließen.
Wenn der Strom, der unmittelbar nach dem Abschalten durch die Spule fließt, eine induzierte Gegen-EMK erzeugt, öffnet diese Sperrspannung die in Sperrichtung vorgespannte Diode.
Durch den Halbleiter wird die angesammelte Energie abgeführt, was eine Beschädigung des Steuerhalbleiters – Transistor, Thyristor, Mikrocontroller – verhindert.
Der häufig im Spulenkreis enthaltene Halbleiter wird auch genannt:
- Schwungraddiode;
- Bypass-Diode;
- Sperrdiode.
Es gibt jedoch keinen großen Unterschied zwischen den Elementen. Sie erfüllen alle eine Funktion. Neben der Verwendung von Sperrdioden werden auch andere Vorrichtungen zum Schutz von Halbleiterbauteilen eingesetzt.
Die gleichen Ketten aus RC-Dämpfern, Metalloxid-Varistoren (MOVs) und Zenerdioden.
Kennzeichnung elektromagnetischer Relaisgeräte
Technische Bezeichnungen, die teilweise Informationen über die Geräte enthalten, sind in der Regel direkt auf dem Gehäuse des elektromagnetischen Schaltgeräts angegeben.
Diese Bezeichnung sieht aus wie eine Abkürzung und ein Zahlensatz.
Beispiel für die Gehäusekennzeichnung elektromechanischer Relais:
RES32 RF4.500.335-01
Dieser Eintrag ist wie folgt entschlüsselt: Elektromagnetisches Niederstromrelais der Serie 32, entsprechend der Ausführung gemäß RF-Pass 4.500.335-01.
Allerdings sind solche Bezeichnungen selten. Häufiger gibt es gekürzte Versionen ohne explizite Angabe von GOST:
RES32 335-01
Außerdem sind das Herstellungsdatum und die Chargennummer auf dem Gehäuse (auf dem Gehäuse) des Geräts angegeben. Detaillierte Informationen finden Sie im technischen Datenblatt des Produkts. Jedes Gerät bzw. jede Charge wird mit einem Pass geliefert.
Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema
Das Video erklärt im Volksmund die Funktionsweise elektromechanischer Schaltelektronik. Die Feinheiten des Designs, der Verbindungsmerkmale und anderer Details werden deutlich hervorgehoben:
Elektromechanische Relais werden seit geraumer Zeit als elektronische Bauteile eingesetzt. Diese Art von Schaltgeräten kann jedoch als veraltet angesehen werden. Mechanische Geräte werden zunehmend durch modernere Geräte – rein elektronische – ersetzt. Ein solches Beispiel ist Halbleiterrelais.
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Guten Tag. Können Sie mir sagen, welche Methoden es gibt, um Störungen durch den Relaisbetrieb zu unterdrücken?
Guten Tag, Roma. Der Kampf gegen Einmischung ist eine eigene Geschichte, die von der PUE praktisch nicht berührt wird.
Das Relais erzeugt elektromagnetische Wellen, wenn die Kontakte geschlossen/geöffnet werden. Sich ausbreitende Wellen induzieren EMF in Drähten und Metallstrukturen, durch die sie laufen.Ich möchte Sie daran erinnern, dass ein ausgelöstes Relais eine Kette von „Ereignissen“ auslöst, die mit dem Starten von Energiegeräten endet, wobei Ströme gestartet werden, die ebenfalls durch elektromagnetische Wellen erzeugt werden.
Sie können sich schützen und Störungen dieser Art unterdrücken, indem Sie die Relais in separaten Abschirmungen konzentrieren, entfernt von Geräten und Anlagen, die durch die Wellen beschädigt werden können. Schaltschrankgehäuse müssen geerdet sein. Steuerkabel und Betriebsstromkabel, die störgefährdet sind, müssen über einen geerdeten Schutzmantel, ein Geflecht oder eine geerdete Armierung verfügen. In Gebäuden verlegte Strom- und Steuerkabel werden auseinandergeführt.
Designorganisationen, die sich mit der Stromversorgung befassen, verfügen über Abteilungen, die sich mit Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit elektrischer Netze, Kommunikationsnetze, Automatisierung usw. befassen.
Im Anhang finden Sie einen Screenshot der PUE-Punkte im Zusammenhang mit Störungen und eine Liste von GOSTs, die Probleme bei der Bekämpfung von Störungen enthalten.