{"id":88588,"date":"2019-12-31T09:09:18","date_gmt":"2019-12-31T08:09:18","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/przekazniki-i-elementy-stykowe-jak-to-dziala\/"},"modified":"2024-09-06T14:53:43","modified_gmt":"2024-09-06T12:53:43","slug":"relais-und-kontaktelemente-wie-funktionieren-sie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/relais-und-kontaktelemente-wie-funktionieren-sie\/","title":{"rendered":"Relais und Kontaktelemente – Wie funktionieren sie?"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 9<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Relais<\/strong> <\/a>sind eine der am h\u00e4ufigsten verwendeten elektronischen Komponenten in der Robotik und das kommt nicht von ungef\u00e4hr. Sie sind \u00e4u\u00dferst notwendig, da ihre Hauptfunktion darin besteht, den Spannungszustand der Ausgangsschaltungen zu \u00e4ndern, wenn programmierte Eingangsbedingungen erf\u00fcllt sind<\/strong>. Was bedeutet das? Eine \u00c4nderung der physikalischen Gr\u00f6\u00dfe f\u00fchrt zu einer schrittweisen \u00c4nderung des Eingangssignals. Es lohnt sich, dieses Element aus der N\u00e4he kennenzulernen und seine Merkmale, Eigenschaften und seinen Nutzen in der Robotik zu betrachten. <\/p>\n

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Formulare und Arten von Kontaktelementen<\/h2>\n\n\n\n

Die Kontakte bilden in Kombination mit einem Stift und einer Taste eine Impulstaste<\/strong>, die eine \u00c4nderung des Spannungszustands ausl\u00f6st, wenn sie mit dem Finger gedr\u00fcckt wird, und zeichnen sich durch ein monostabiles Design aus. Monostabilit\u00e4t<\/strong> bedeutet im Falle einer Taste, dass nur eine ihrer Positionen stabil ist, w\u00e4hrend die andere vor\u00fcbergehend ist, was sich leicht anhand der Funktionsweise einer TV-Fernbedienung veranschaulichen l\u00e4sst. Die \u00c4nderung des Zustands und der zweiten Position wird durch Dr\u00fccken der Taste mit physischer Kraft erreicht, und wenn die Kraft aufgehoben wird, kehrt die Taste in ihre urspr\u00fcngliche Position zur\u00fcck. Solche Kontaktelemente werden in der Robotik h\u00e4ufig 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 \u00f6ffnet. Die zweite Art von Kontaktelementen sind Reed-Schalter, die eine sehr breite Palette von Anwendungen haben. <\/p>\n\n\n\n

Was ist ein Reed-Schalter?<\/h2>\n\n\n\n

Ein Reed-Schalter<\/strong> ist eine Art hermetischer elektrischer Schalter, der durch ein Magnetfeld gesteuert wird. Interessanterweise kamen bereits 1940 die ersten Ger\u00e4te 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 Vakuumatmosph\u00e4re, sind Kontakte aus ferromagnetischem Material versenkt, so dass sie leicht magnetisch werden k\u00f6nnen. Aus diesem Grund wird unter dem Einfluss eines entsprechend ausgerichteten Magnetfeldes au\u00dferhalb des Reedschalters ein eigenes Magnetfeld in den Kontakten im Inneren der Gl\u00fchbirne induziert, wodurch sie beginnen, miteinander zu interagieren. <\/p>\n\n\n\n

Um die Funktion der Kontakte im Reed-Schalter zu verbessern und zu stabilisieren, werden ihre Enden mit einer Schicht aus Edelmetall \u00fcberzogen, darunter Gold, Rhodium, Wolfram, Ruthenium oder gemischte Beschichtungen. Diese Beschichtung wird je nach Zweck und Betriebsbedingungen des Ger\u00e4ts aufgebracht. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen die Kontakte auch mit Quecksilber benetzt werden. Wenn sich die Kontakte einander ann\u00e4hern, wird der Stromkreis geschlossen. Deshalb werden Reed-Schalter sehr h\u00e4ufig in Alarmanlagen eingesetzt, um das \u00d6ffnen von T\u00fcren oder Fenstern zu erkennen. Au\u00dferdem k\u00f6nnen wir aufgrund der Art und Weise, wie die Kontakte angehalten und wieder gel\u00f6st werden, zwischen zwei Arten von Reed-Schaltern unterscheiden. Der eine geh\u00f6rt zur Gruppe der nicht-remanenten Schalter. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass Energie in Form eines Magnetfeldes erforderlich ist, um einen der Zust\u00e4nde beizubehalten. Die andere Gruppe hingegen sind die remanenten Reed-Schalter. Bei ihnen \u00e4ndert sich der Zustand unter der Einwirkung eines kurzen Impulses eines Feldes mit entgegengesetzter Polarit\u00e4t zu der des vorherigen Steuerungszyklus. Im Vergleich zu Modellen ohne Remanenz ben\u00f6tigen diese Arten von Reed-Schaltern keine Energie, um den Zustand aufrechtzuerhalten. Au\u00dferdem sind alle Ger\u00e4te sehr empfindlich gegen\u00fcber Magnetfeldern, was durch das Symbol AT in Ampere ausgedr\u00fcckt wird. Die \u00fcbliche typische Empfindlichkeit von Reedschaltern liegt zwischen 10 und 60 AT. Es ist wichtig zu wissen, dass die Empfindlichkeit umso h\u00f6her ist, je niedriger der Wert ist. <\/p>\n\n\n\n

Traditionelles Relais<\/a> versus Halbleiterrelais SSR<\/a><\/h2>\n\n\n\n

Ein typisches Relais<\/strong> ist ein elektromagnetisches Ger\u00e4t, in dem sich ein Elektromagnet befindet. Wenn ein Magnetfeld erzeugt wird, zieht dieser Elektromagnet einen Anker (Jumper) an und \u00f6ffnet oder schlie\u00dft einen Kontakt oder das gesamte Modul. Ein Relais besteht aus insgesamt drei Stromkreisen: dem Empfangs-, dem Zwischen- und dem Ausf\u00fchrungskreis<\/strong> sowie aus mehreren Kontakttypen: Schlie\u00dfer, \u00d6ffner, Umschalter und unterbrechungsfreier Kontakt.<\/strong> <\/p>\n\n\n\n

Das Solid-State-Relais (SSR)<\/strong> unterscheidet sich in seinem Aufbau deutlich vom elektromagnetischen Modell. Das SSR(Solid State Relay<\/strong>) ist elektronisch und unterscheidet sich von der oben erw\u00e4hnten Variante durch seine Funktionsweise. Bei den typischen Relais erfolgt der Betrieb \u00fcber Jumper, die mechanisch schlie\u00dfen und \u00f6ffnen, w\u00e4hrend beim SSR-Relais alles elektronisch erfolgt. Daher zeichnen sich die SSR-Modelle durch die M\u00f6glichkeit des synchronen und asynchronen Schaltens sowie durch eine kurze Reaktionszeit und das Fehlen beweglicher Teile aus, was zu einer deutlich l\u00e4ngeren Lebensdauer f\u00fchrt. <\/p>\n

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Was ist ein Relais?<\/h2>\n\n\n\n

Ein Relais ist in der Regel ein kleines elektrisches oder elektronisches Ger\u00e4t , das eine festgelegte pl\u00f6tzliche Zustands\u00e4nderung in einem oder mehreren Ausgangskreisen bewirkt<\/strong>. Damit es korrekt funktioniert, m\u00fcssen die entsprechenden Eingangsbedingungen erf\u00fcllt sein. Was bedeutet das in der Praxis? Nun, jedes Relais reagiert auf eine \u00c4nderung einer physikalischen Eingangsgr\u00f6\u00dfe, die unter anderem eine \u00c4nderung der Spannung, des Stroms, des Fl\u00fcssigkeitsdrucks oder der Temperatur sein kann. Wenn ein bestimmter Wert \u00fcberschritten wird, \u00e4ndert sich das Ausgangssignal sprungartig auf einer Ein\/Aus-Basis. <\/p>\n\n\n\n

Relais – Aufbau<\/h2>\n\n\n\n

Das Relais besteht aus drei Schaltkreisen, die f\u00fcr seinen korrekten Betrieb verantwortlich sind. Der Empfangsstromkreis<\/strong> 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<\/strong>, 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 ausf\u00fchrende<\/strong> Schaltkreis, dient dazu, den Spannungszustand eines oder mehrerer Schaltkreise mit Hilfe von Kontakts\u00e4tzen zu \u00e4ndern. 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 Priorit\u00e4tsrelais sind ebenfalls erw\u00e4hnenswert. Sicherheitsrelais werden auch h\u00e4ufig als Teil von Ger\u00e4testeuerungssystemen und selbsthaltenden, bistabilen Varianten verwendet. Diese Modelle verbleiben nach einem Zustandswechsel bis zum n\u00e4chsten Wechsel in der neuen Position. Erm\u00f6glicht wird dies durch die Verwendung eines Verriegelungsmechanismus in Verbindung mit einem Elektromagneten. <\/p>\n\n\n\n

Relais haben in der Regel die Form von W\u00fcrfeln mit gleichen Seiten, die nicht l\u00e4nger als ein paar Zentimeter sind. Der gr\u00f6\u00dfte 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 k\u00f6nnen, um dem Stromkreis zu entsprechen. Interessanterweise funktioniert ein Relais \u00e4hnlich wie ein Schalter, aber die Zustands\u00e4nderung erfolgt nicht durch physische Bet\u00e4tigung, z.B. durch Ber\u00fchrung eines Objekts, sondern durch Kontakt mit einem kleinen Strom. <\/p>\n\n\n\n

Wichtige Parameter der Relais<\/h2>\n\n\n\n

Jedes Relais verf\u00fcgt \u00fcber 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<\/strong>. Dieser Parameter bestimmt die Spannung, die, wenn sie an die Spulenanschl\u00fcsse des Magneten angelegt wird, eine direkte Auswirkung auf die Ausl\u00f6sung des Relais hat. Typische Werte f\u00fcr die genannte Spannung sind 3V, 5V, 12V oder 24V. Bei der Auswahl eines geeigneten Modells orientieren Sie sich am besten an der Spannung des Ger\u00e4ts in der N\u00e4he der Versorgungsspannung des Systems. <\/p>\n\n\n\n

Ein weiterer \u00e4u\u00dferst wichtiger Parameter ist der Spulenwiderstand<\/strong>, der den Strom bestimmt, den das Relais w\u00e4hrend des Betriebs aufnimmt. Daher ist es notwendig, ein Relais zu w\u00e4hlen, dessen Versorgungsstrom die maximale Last des digitalen Ausgangs nicht \u00fcberschreitet. Ein weiterer Parameter ist die Strombelastung der Kontakte, die den maximalen Strom bestimmt, der durch die Kontakte des Relais flie\u00dfen kann. Es ist wichtig, diese Werte nicht zu \u00fcberschreiten, da die Verbindung der Kontakte immer einen gewissen elektrischen Widerstand aufweist und der Stromfluss selbst W\u00e4rme erzeugt. Ein zu hoher Wert kann also dazu f\u00fchren, dass die Kontakte verbrennen, was dazu f\u00fchrt, dass das Relais ganz aufh\u00f6rt zu funktionieren und h\u00f6chstwahrscheinlich ausf\u00e4llt. <\/p>\n\n\n\n

Ebenso wichtig ist die Spannung zwischen den Kontakten<\/strong>, denn wenn Sie diese \u00fcbersehen, kann es zu gef\u00e4hrlichen Durchschl\u00e4gen, d.h. Funken\u00fcberschl\u00e4gen zwischen den Kontakten, kommen, die auch das Relais besch\u00e4digen k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n\n

Was Sie ebenfalls beachten sollten, ist die Schaltgeschwindigkeit<\/strong>, denn ein Relais enth\u00e4lt als elektromechanisches Ger\u00e4t bewegliche Teile und arbeitet daher oft nicht sofort, sondern mit einer gewissen Verz\u00f6gerung. 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 m\u00fcssen, lohnt sich der Einsatz eines elektronischen Relais. <\/p>\n\n\n\n

Der letzte Parameter, der \u00fcber die hohe Qualit\u00e4t eines Relais entscheidet, ist seine Haltbarkeit und Widerstandsf\u00e4higkeit gegen Sch\u00e4den<\/strong>. Dieses kleine Ger\u00e4t 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 Bed\u00fcrfnissen abzugleichen. Auf diese Weise werden Sie mit Sicherheit das ideale Modell ausw\u00e4hlen. <\/p>\n\n\n\n

Relaismodule<\/a><\/a><\/h2>\n\n\n\n

Relaismodule<\/strong> sind mehrere Relais, die in einer einzigen Schaltung mit einer Vielzahl von Kan\u00e4len<\/strong> kombiniert sind – bis zu 16 auf einer einzigen Platine. Die einzelnen Modelle verf\u00fcgen u.a. \u00fcber eine optische Isolierung (Opto-Isolierung) und erm\u00f6glichen die Steuerung der Aktoren \u00fcber die Mikrocontroller-Ports oder \u00fcber ein Start-up-Kit. Die Module k\u00f6nnen mehrere Schnittstellen unterst\u00fctzen, wie z.B. Bluetooth oder WiFi. Dar\u00fcber hinaus zeichnen sie sich durch einen sehr einfachen Anschluss aus – Sie m\u00fcssen nur das digitale Steuersignal (z.B. von den Arduino-Kabeln) und die Stromversorgung an die Relaisspule anschlie\u00dfen. <\/p>\n

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Anwendung von Relais<\/h2>\n\n\n\n

Relais sind sehr weit verbreitete Ger\u00e4te, da sie sich durch ihr breites Anwendungsspektrum<\/strong> auszeichnen. Aus diesem Grund findet man die meisten von ihnen vor allem in der Industrie, also in verschiedenen Arten von Maschinen, Ger\u00e4ten und Kontrollsystemen. Aber auch im h\u00e4uslichen Umfeld werden Controller h\u00e4ufig eingesetzt und jeder kennt sie. Sie werden zum Beispiel zur Steuerung von Ampeln, Rolltreppen, Ventilatoren oder Aufz\u00fcgen verwendet. Kurz gesagt, \u00fcberall dort, wo es Installationen gibt, die die drahtlose Steuerung von Ger\u00e4ten erm\u00f6glichen. Beispiele sind auch die Bedienung von Garagen- und Eingangstoren, Zugangskontrollsysteme sowie die Steuerung von Jalousien und Rolll\u00e4den. Dar\u00fcber hinaus erleichtern Relais zunehmend die Steuerung von Heizung und L\u00fcftung. Sie sehen also, diese kleinen Ger\u00e4te 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 Kontaktf\u00fchrung, Impulsrelais, \u00dcberwachungsrelais, Installationsrelais und Modellen f\u00fcr gedruckte Schaltungen. <\/p>\n\n\n\n

Vorteile von Relais<\/h2>\n\n\n\n

Relais bieten eine Reihe von Vorteilen, die es wert sind, vor ihrem Einsatz in einer Schaltung untersucht zu werden. So kann ein betr\u00e4chtlicher Strom von bis zu einem Dutzend Ampere durch diese kleinen elektrischen oder elektronischen Ger\u00e4te geleitet werden<\/strong>, ohne dass gleichzeitig ein ziemlich l\u00e4stiges K\u00fchlsystem eingesetzt werden muss<\/strong>, das viel Platz beansprucht. Dies ist ein gro\u00dfer Vorteil gegen\u00fcber wesentlich gr\u00f6\u00dferen Transistoren. Dar\u00fcber hinaus zeichnen sich Relais durch einen geringen Spannungsabfall \u00fcber ihren kurzgeschlossenen Kontakten<\/strong> aus (der elektrische Widerstand betr\u00e4gt nur wenige Milliohm), und auch die Richtung des Stroms, der durch die Kontakte des Ger\u00e4ts flie\u00dft, ist unwichtig<\/strong>, w\u00e4hrend bei Transistoren gerade diese Richtung \u00e4u\u00dferst wichtig ist, da sie einen enormen Einfluss auf den Betrieb des gesamten Stromkreises hat. Au\u00dferdem ist die Magnetspule in einem Relais vollkommen von den Kontakten isoliert, so dass mit einer einzigen Steuerung verschiedene Spannungen geschaltet werden k\u00f6nnen. Dar\u00fcber hinaus zeichnen sich Relais durch eine sehr pr\u00e4zise Arbeitsweise aus<\/strong>, so dass sie bedenkenlos f\u00fcr die anspruchsvollsten Prozesse eingesetzt werden k\u00f6nnen, und ein weiterer Vorteil sind ihre niedrigen Betriebskosten. <\/p>\n\n\n\n

Nachteile von Relais<\/h2>\n\n\n\n

Leider haben Relais, wie alles, auch ihre Nachteile. Zu den wichtigsten geh\u00f6ren die begrenzte Anzahl und die kurze Lebensdauer der Umschalter<\/strong>, die im Laufe der Jahre zu einer schlechten Leistung dieser Ger\u00e4te f\u00fchrt. Dies ist f\u00fcr Robotiker sehr wichtig. Ein weiterer Schwachpunkt dieser Art von Ger\u00e4ten ist das physische Versagen der Kontakte nach einer gewissen Zeit<\/strong>, was dazu f\u00fchrt, dass das Relais durch ein neues Modell ersetzt werden muss und unsere Konstruktion anschlie\u00dfend zerlegt werden muss. Dar\u00fcber hinaus arbeiten die meisten mechanischen Modelle mit einer ziemlich hohen Latenzzeit<\/strong>, was bei sehr pr\u00e4zisen Robotern den Charakter der Dinge v\u00f6llig ver\u00e4ndert. Ein \u00e4hnlicher Nachteil besteht darin, dass Relais in der Regel nicht in der Lage sind, mehrere Schaltvorg\u00e4nge pro Sekunde auszuf\u00fchren, wodurch sie recht langwierig und zeitaufwendig zu \u00e4ndern sind, so dass sie sich nicht gut f\u00fcr Konstruktionen eignen, bei denen die \u00c4nderung des Spannungszustands viele Male pro Sekunde auftritt. Eine M\u00f6glichkeit, dies zu verbessern, sind Halbleiterrelais, die sehr kurze Zugriffszeiten haben. Ein weiterer Schwachpunkt mechanischer Relais ist, dass sie ein ausgepr\u00e4gtes Klopfger\u00e4usch erzeugen<\/strong>, das bei einem einzigen Schaltvorgang oft deutlich h\u00f6rbar ist, was sie f\u00fcr manche Konstruktionen ungeeignet machen kann. Au\u00dferdem ben\u00f6tigen Relais im Vergleich zu Transistoren wesentlich mehr Platz<\/strong>, so dass sie f\u00fcr kleine Roboter mit miniaturisierten Geh\u00e4usen, die nicht viel Platz haben, nicht gut geeignet sind. Die Nachteile von Relais m\u00fcssen jedoch in manchen F\u00e4llen in Kauf genommen werden, da es oft keine M\u00f6glichkeit gibt, sie zu umgehen. <\/p>\n\n\n\n

Wie man ein Relais an eine Kontaktplatte anschlie\u00dft<\/h2>\n\n\n\n

Die erste \u00dcberlegung beim Zusammenbau eines Relais auf einer Kontaktplatine besteht darin, die Beine richtig zu biegen. Viele Menschen halten dies f\u00fcr eine problematische und zeitraubende Aufgabe, bei der das Risiko einer Besch\u00e4digung besteht. Wenn dieser Schritt jedoch korrekt und sorgf\u00e4ltig ausgef\u00fchrt wird, ist das Ergebnis eine saubere und ordentliche Montage. Die Anschlussdr\u00e4hte der Common m\u00fcssen an der richtigen Stelle auf der Platine sitzen, was die m\u00fchsamste 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 Kurzschlie\u00dfen der Dr\u00e4hte, was zu einem Schaltger\u00e4usch und dem Aufleuchten der Diode f\u00fchren sollte. <\/p>\n\n\n\n

Es gibt noch eine zweite Montagemethode, die zwar nicht zu den sauberen und eleganten geh\u00f6rt, aber viel einfacher ist als die oben erw\u00e4hnte. 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 \u00c4nderungen. Schlie\u00dfen Sie zun\u00e4chst die Batterie an (die LED sollte nicht leuchten) und schlie\u00dfen Sie dann die Spannungsversorgung an. Dann sollten Sie das charakteristische Schaltger\u00e4usch h\u00f6ren. Nachdem Sie das gebogene Bein des Relais mit dem Stromversorgungsdraht ber\u00fchrt haben, sollte die Diode aufleuchten. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Relais und Kontaktelemente – FAQ<\/h2>\n
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