Relais und Kontaktelemente – Wie funktionieren sie?

Relais sind eine der am häufigsten verwendeten elektronischen Komponenten in der Robotik und das kommt nicht von ungefähr. Sie sind äußerst notwendig, da ihre Hauptfunktion darin besteht, den Spannungszustand der Ausgangsschaltungen zu ändern, wenn programmierte Eingangsbedingungen erfüllt sind. Was bedeutet das? Eine Änderung der physikalischen Größe führt zu einer schrittweisen Änderung des Eingangssignals. Es lohnt sich, dieses Element aus der Nähe kennenzulernen und seine Merkmale, Eigenschaften und seinen Nutzen in der Robotik zu betrachten.

Formulare und Arten von Kontaktelementen

Die Kontakte bilden in Kombination mit einem Stift und einer Taste eine Impulstaste, die eine Änderung des Spannungszustands auslöst, wenn sie mit dem Finger gedrückt wird, und zeichnen sich durch ein monostabiles Design aus. Monostabilität bedeutet im Falle einer Taste, dass nur eine ihrer Positionen stabil ist, während die andere vorübergehend ist, was sich leicht anhand der Funktionsweise einer TV-Fernbedienung veranschaulichen lässt. Die Änderung des Zustands und der zweiten Position wird durch Drücken der Taste mit physischer Kraft erreicht, und wenn die Kraft aufgehoben wird, kehrt die Taste in ihre ursprüngliche Position zurück. Solche Kontaktelemente werden in der Robotik häufig als Hindernissensor in Form eines Mikroschalters verwendet. Ein Hindernissensor besteht aus mindestens drei Platten – zwei, die die Basis bilden, und eine, die den Aktor darstellt und die Leitungen kontaktiert oder öffnet. Die zweite Art von Kontaktelementen sind Reed-Schalter, die eine sehr breite Palette von Anwendungen haben.

Was ist ein Reed-Schalter?

Ein Reed-Schalter ist eine Art hermetischer elektrischer Schalter, der durch ein Magnetfeld gesteuert wird. Interessanterweise kamen bereits 1940 die ersten Geräte dieser Art auf den Markt, die als eine fortschrittliche Form des Relais angesehen wurden. Im Allgemeinen zeichnet sich der Reed-Schalter durch seine einfache Konstruktion aus, da er aus einer hermetischen Glasblase besteht. In ihrem Inneren, in einer Inertgas- oder Vakuumatmosphäre, sind Kontakte aus ferromagnetischem Material versenkt, so dass sie leicht magnetisch werden können. Aus diesem Grund wird unter dem Einfluss eines entsprechend ausgerichteten Magnetfeldes außerhalb des Reedschalters ein eigenes Magnetfeld in den Kontakten im Inneren der Glühbirne induziert, wodurch sie beginnen, miteinander zu interagieren.

Um die Funktion der Kontakte im Reed-Schalter zu verbessern und zu stabilisieren, werden ihre Enden mit einer Schicht aus Edelmetall überzogen, darunter Gold, Rhodium, Wolfram, Ruthenium oder gemischte Beschichtungen. Diese Beschichtung wird je nach Zweck und Betriebsbedingungen des Geräts aufgebracht. Darüber hinaus können die Kontakte auch mit Quecksilber benetzt werden. Wenn sich die Kontakte einander annähern, wird der Stromkreis geschlossen. Deshalb werden Reed-Schalter sehr häufig in Alarmanlagen eingesetzt, um das Öffnen von Türen oder Fenstern zu erkennen. Außerdem können wir aufgrund der Art und Weise, wie die Kontakte angehalten und wieder gelöst werden, zwischen zwei Arten von Reed-Schaltern unterscheiden. Der eine gehört zur Gruppe der nicht-remanenten Schalter. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass Energie in Form eines Magnetfeldes erforderlich ist, um einen der Zustände beizubehalten. Die andere Gruppe hingegen sind die remanenten Reed-Schalter. Bei ihnen ändert sich der Zustand unter der Einwirkung eines kurzen Impulses eines Feldes mit entgegengesetzter Polarität zu der des vorherigen Steuerungszyklus. Im Vergleich zu Modellen ohne Remanenz benötigen diese Arten von Reed-Schaltern keine Energie, um den Zustand aufrechtzuerhalten. Außerdem sind alle Geräte sehr empfindlich gegenüber Magnetfeldern, was durch das Symbol AT in Ampere ausgedrückt wird. Die übliche typische Empfindlichkeit von Reedschaltern liegt zwischen 10 und 60 AT. Es ist wichtig zu wissen, dass die Empfindlichkeit umso höher ist, je niedriger der Wert ist.

Traditionelles Relais versus Halbleiterrelais SSR

Ein typisches Relais ist ein elektromagnetisches Gerät, in dem sich ein Elektromagnet befindet. Wenn ein Magnetfeld erzeugt wird, zieht dieser Elektromagnet einen Anker (Jumper) an und öffnet oder schließt einen Kontakt oder das gesamte Modul. Ein Relais besteht aus insgesamt drei Stromkreisen: dem Empfangs-, dem Zwischen- und dem Ausführungskreis sowie aus mehreren Kontakttypen: Schließer, Öffner, Umschalter und unterbrechungsfreier Kontakt.

Das Solid-State-Relais (SSR) unterscheidet sich in seinem Aufbau deutlich vom elektromagnetischen Modell. Das SSR(Solid State Relay) ist elektronisch und unterscheidet sich von der oben erwähnten Variante durch seine Funktionsweise. Bei den typischen Relais erfolgt der Betrieb über Jumper, die mechanisch schließen und öffnen, während beim SSR-Relais alles elektronisch erfolgt. Daher zeichnen sich die SSR-Modelle durch die Möglichkeit des synchronen und asynchronen Schaltens sowie durch eine kurze Reaktionszeit und das Fehlen beweglicher Teile aus, was zu einer deutlich längeren Lebensdauer führt.

Was ist ein Relais?

Ein Relais ist in der Regel ein kleines elektrisches oder elektronisches Gerät , das eine festgelegte plötzliche Zustandsänderung in einem oder mehreren Ausgangskreisen bewirkt. Damit es korrekt funktioniert, müssen die entsprechenden Eingangsbedingungen erfüllt sein. Was bedeutet das in der Praxis? Nun, jedes Relais reagiert auf eine Änderung einer physikalischen Eingangsgröße, die unter anderem eine Änderung der Spannung, des Stroms, des Flüssigkeitsdrucks oder der Temperatur sein kann. Wenn ein bestimmter Wert überschritten wird, ändert sich das Ausgangssignal sprungartig auf einer Ein/Aus-Basis.

Relais – Aufbau

Das Relais besteht aus drei Schaltkreisen, die für seinen korrekten Betrieb verantwortlich sind. Der Empfangsstromkreis dient dazu, das Relais mit Gleichstrom oder niederfrequentem Wechselstrom zu versorgen. Er besteht nur aus einer Spule auf einem Stahlkern. Ein weiterer Schaltkreis ist der Zwischenkreis, der wiederum die Energie aus dem Empfangskreis in einen magnetischen Fluss umwandelt und aus einem Jumper, einem Joch und einem Kern besteht. Der magnetische Fluss zieht den Jumper an den Kern. Der letzte Schaltkreis, diesmal der ausführende Schaltkreis, dient dazu, den Spannungszustand eines oder mehrerer Schaltkreise mit Hilfe von Kontaktsätzen zu ändern. Interessanterweise gibt es eine Vielzahl von Relais im Allgemeinen, aber nur einige der einfachsten werden in der Robotik verwendet. Varianten wie statische Relais (SSR – Solid State Relay), digitale Relais, Zeitrelais und Prioritätsrelais sind ebenfalls erwähnenswert. Sicherheitsrelais werden auch häufig als Teil von Gerätesteuerungssystemen und selbsthaltenden, bistabilen Varianten verwendet. Diese Modelle verbleiben nach einem Zustandswechsel bis zum nächsten Wechsel in der neuen Position. Ermöglicht wird dies durch die Verwendung eines Verriegelungsmechanismus in Verbindung mit einem Elektromagneten.

Relais haben in der Regel die Form von Würfeln mit gleichen Seiten, die nicht länger als ein paar Zentimeter sind. Der größte Teil des Platzes in ihrem Inneren wird von der Spule eingenommen, die sich in der Mitte befindet. Die Spulen sind so konstruiert, dass sie mit verschiedenen Spannungen versorgt werden können, um dem Stromkreis zu entsprechen. Interessanterweise funktioniert ein Relais ähnlich wie ein Schalter, aber die Zustandsänderung erfolgt nicht durch physische Betätigung, z.B. durch Berührung eines Objekts, sondern durch Kontakt mit einem kleinen Strom.

Wichtige Parameter der Relais

Jedes Relais verfügt über mehrere Parameter, die Sie bei der Anpassung bestimmter Modelle an die von Ihnen erstellten Schaltkreise stets genau beachten sollten. Nun, der erste dieser Parameter ist die Spulenspannung. Dieser Parameter bestimmt die Spannung, die, wenn sie an die Spulenanschlüsse des Magneten angelegt wird, eine direkte Auswirkung auf die Auslösung des Relais hat. Typische Werte für die genannte Spannung sind 3V, 5V, 12V oder 24V. Bei der Auswahl eines geeigneten Modells orientieren Sie sich am besten an der Spannung des Geräts in der Nähe der Versorgungsspannung des Systems.

Ein weiterer äußerst wichtiger Parameter ist der Spulenwiderstand, der den Strom bestimmt, den das Relais während des Betriebs aufnimmt. Daher ist es notwendig, ein Relais zu wählen, dessen Versorgungsstrom die maximale Last des digitalen Ausgangs nicht überschreitet. Ein weiterer Parameter ist die Strombelastung der Kontakte, die den maximalen Strom bestimmt, der durch die Kontakte des Relais fließen kann. Es ist wichtig, diese Werte nicht zu überschreiten, da die Verbindung der Kontakte immer einen gewissen elektrischen Widerstand aufweist und der Stromfluss selbst Wärme erzeugt. Ein zu hoher Wert kann also dazu führen, dass die Kontakte verbrennen, was dazu führt, dass das Relais ganz aufhört zu funktionieren und höchstwahrscheinlich ausfällt.

Ebenso wichtig ist die Spannung zwischen den Kontakten, denn wenn Sie diese übersehen, kann es zu gefährlichen Durchschlägen, d.h. Funkenüberschlägen zwischen den Kontakten, kommen, die auch das Relais beschädigen können.

Was Sie ebenfalls beachten sollten, ist die Schaltgeschwindigkeit, denn ein Relais enthält als elektromechanisches Gerät bewegliche Teile und arbeitet daher oft nicht sofort, sondern mit einer gewissen Verzögerung. Rechnen Sie daher damit, dass das Relais nur wenige Schaltungen pro Sekunde vornehmen kann. Wenn Sie Hunderte von Malen pro Sekunde ein- und ausschalten oder schalten müssen, lohnt sich der Einsatz eines elektronischen Relais.

Der letzte Parameter, der über die hohe Qualität eines Relais entscheidet, ist seine Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Schäden. Dieses kleine Gerät arbeitet sehr intensiv, so dass das Ein- und Ausschalten der Kontakte diese stark abnutzt. Es lohnt sich daher, bei der Wahl des richtigen Relais auf die vom Hersteller garantierte Anzahl von Arbeitszyklen zu achten und diese mit Ihren Bedürfnissen abzugleichen. Auf diese Weise werden Sie mit Sicherheit das ideale Modell auswählen.

Relaismodule

Relaismodule sind mehrere Relais, die in einer einzigen Schaltung mit einer Vielzahl von Kanälen kombiniert sind – bis zu 16 auf einer einzigen Platine. Die einzelnen Modelle verfügen u.a. über eine optische Isolierung (Opto-Isolierung) und ermöglichen die Steuerung der Aktoren über die Mikrocontroller-Ports oder über ein Start-up-Kit. Die Module können mehrere Schnittstellen unterstützen, wie z.B. Bluetooth oder WiFi. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch einen sehr einfachen Anschluss aus – Sie müssen nur das digitale Steuersignal (z.B. von den Arduino-Kabeln) und die Stromversorgung an die Relaisspule anschließen.

Anwendung von Relais

Relais sind sehr weit verbreitete Geräte, da sie sich durch ihr breites Anwendungsspektrum auszeichnen. Aus diesem Grund findet man die meisten von ihnen vor allem in der Industrie, also in verschiedenen Arten von Maschinen, Geräten und Kontrollsystemen. Aber auch im häuslichen Umfeld werden Controller häufig eingesetzt und jeder kennt sie. Sie werden zum Beispiel zur Steuerung von Ampeln, Rolltreppen, Ventilatoren oder Aufzügen verwendet. Kurz gesagt, überall dort, wo es Installationen gibt, die die drahtlose Steuerung von Geräten ermöglichen. Beispiele sind auch die Bedienung von Garagen- und Eingangstoren, Zugangskontrollsysteme sowie die Steuerung von Jalousien und Rollläden. Darüber hinaus erleichtern Relais zunehmend die Steuerung von Heizung und Lüftung. Sie sehen also, diese kleinen Geräte sind aus der heutigen Technologie nicht mehr wegzudenken. Je nach Anwendung und Betriebsbedingungen haben Sie die Wahl zwischen Industrierelais, Miniaturrelais, Zeitrelais, Halbleiterrelais, Relais mit positiver Kontaktführung, Impulsrelais, Überwachungsrelais, Installationsrelais und Modellen für gedruckte Schaltungen.

Vorteile von Relais

Relais bieten eine Reihe von Vorteilen, die es wert sind, vor ihrem Einsatz in einer Schaltung untersucht zu werden. So kann ein beträchtlicher Strom von bis zu einem Dutzend Ampere durch diese kleinen elektrischen oder elektronischen Geräte geleitet werden, ohne dass gleichzeitig ein ziemlich lästiges Kühlsystem eingesetzt werden muss, das viel Platz beansprucht. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber wesentlich größeren Transistoren. Darüber hinaus zeichnen sich Relais durch einen geringen Spannungsabfall über ihren kurzgeschlossenen Kontakten aus (der elektrische Widerstand beträgt nur wenige Milliohm), und auch die Richtung des Stroms, der durch die Kontakte des Geräts fließt, ist unwichtig, während bei Transistoren gerade diese Richtung äußerst wichtig ist, da sie einen enormen Einfluss auf den Betrieb des gesamten Stromkreises hat. Außerdem ist die Magnetspule in einem Relais vollkommen von den Kontakten isoliert, so dass mit einer einzigen Steuerung verschiedene Spannungen geschaltet werden können. Darüber hinaus zeichnen sich Relais durch eine sehr präzise Arbeitsweise aus, so dass sie bedenkenlos für die anspruchsvollsten Prozesse eingesetzt werden können, und ein weiterer Vorteil sind ihre niedrigen Betriebskosten.

Nachteile von Relais

Leider haben Relais, wie alles, auch ihre Nachteile. Zu den wichtigsten gehören die begrenzte Anzahl und die kurze Lebensdauer der Umschalter, die im Laufe der Jahre zu einer schlechten Leistung dieser Geräte führt. Dies ist für Robotiker sehr wichtig. Ein weiterer Schwachpunkt dieser Art von Geräten ist das physische Versagen der Kontakte nach einer gewissen Zeit, was dazu führt, dass das Relais durch ein neues Modell ersetzt werden muss und unsere Konstruktion anschließend zerlegt werden muss. Darüber hinaus arbeiten die meisten mechanischen Modelle mit einer ziemlich hohen Latenzzeit, was bei sehr präzisen Robotern den Charakter der Dinge völlig verändert. Ein ähnlicher Nachteil besteht darin, dass Relais in der Regel nicht in der Lage sind, mehrere Schaltvorgänge pro Sekunde auszuführen, wodurch sie recht langwierig und zeitaufwendig zu ändern sind, so dass sie sich nicht gut für Konstruktionen eignen, bei denen die Änderung des Spannungszustands viele Male pro Sekunde auftritt. Eine Möglichkeit, dies zu verbessern, sind Halbleiterrelais, die sehr kurze Zugriffszeiten haben. Ein weiterer Schwachpunkt mechanischer Relais ist, dass sie ein ausgeprägtes Klopfgeräusch erzeugen, das bei einem einzigen Schaltvorgang oft deutlich hörbar ist, was sie für manche Konstruktionen ungeeignet machen kann. Außerdem benötigen Relais im Vergleich zu Transistoren wesentlich mehr Platz, so dass sie für kleine Roboter mit miniaturisierten Gehäusen, die nicht viel Platz haben, nicht gut geeignet sind. Die Nachteile von Relais müssen jedoch in manchen Fällen in Kauf genommen werden, da es oft keine Möglichkeit gibt, sie zu umgehen.

Wie man ein Relais an eine Kontaktplatte anschließt

Die erste Überlegung beim Zusammenbau eines Relais auf einer Kontaktplatine besteht darin, die Beine richtig zu biegen. Viele Menschen halten dies für eine problematische und zeitraubende Aufgabe, bei der das Risiko einer Beschädigung besteht. Wenn dieser Schritt jedoch korrekt und sorgfältig ausgeführt wird, ist das Ergebnis eine saubere und ordentliche Montage. Die Anschlussdrähte der Common müssen an der richtigen Stelle auf der Platine sitzen, was die mühsamste Aufgabe ist. Um diese Form des Zusammenbaus zu testen, wird eine Diode verwendet, die nicht aufleuchten sollte, wenn die Batterie angeschlossen ist. Sie sollte jedoch aufleuchten, wenn die Spule mit Strom versorgt wird, z.B. durch Kurzschließen der Drähte, was zu einem Schaltgeräusch und dem Aufleuchten der Diode führen sollte.

Es gibt noch eine zweite Montagemethode, die zwar nicht zu den sauberen und eleganten gehört, aber viel einfacher ist als die oben erwähnte. Nachdem Sie das Common-Kabel von Hand nach vorne gebogen haben, montieren Sie das Relais in einem 90-Grad-Winkel an einer seiner Seiten, wodurch der gebogene Stift in den freien Raum in der Mitte der Platine gebracht wird. Zum Testen verwenden Sie eine Methode, die mit der oben beschriebenen identisch ist, allerdings mit leichten Änderungen. Schließen Sie zunächst die Batterie an (die LED sollte nicht leuchten) und schließen Sie dann die Spannungsversorgung an. Dann sollten Sie das charakteristische Schaltgeräusch hören. Nachdem Sie das gebogene Bein des Relais mit dem Stromversorgungsdraht berührt haben, sollte die Diode aufleuchten.