Relais zur Schaltung großer Ströme

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Inhalt

  • Relais (engl. Relay)

    Einführung

Mikrocontroller können mit ihren zahlreichen digitalen Ausgängen potentiell sehr viele Dinge steuern. Die Ströme, die über diese Ausgänge fließen können, sind aber sehr gering. Sie eignen sich daher nicht um größere Leistungen zu erbringen und Lasten wie elektrodynamische Elemente (Relais, Hubmagnete, Motoren, …) zu schalten.

Benötigt werden also Schaltungen, die mit kleiner Leistung große Lasten steuern können. In diesem Abschnitt wird das Relais vorgestellt, der ein dynamischer Schalter für getrennte Stromkreise ist. In einem weiteren Abschnitt werden Transistoren als Schalter eingeführt.

Relais als Schalter

Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter, der mit dem Anlegen einer Spannung gesteuert werden kann. Es besteht üblicherweise aus einer Spule und einem beweglichen Leiter in örtlicher Nähe dieser Spule. Der Leiter agiert als Schalter und ist Teil eines separaten Stromkreises, der gesteuert werden soll. Wird die Spule mit Strom durchflossen, so erzeugt sie ein elektromagnetisches Feld. Dieses Feld zieht den Leiter des Schalters an und bewegt ihn in eine öffnende (bzw. schließende) Stellung. Der zweite Stromkreis wird also mit der Spannung aus dem ersten Stromkreis gesteuert.

Relais werden oft verwendet um mit kleinen Spannungen auch sehr große Spannungen zu schalten. Je nach Bauform sind sie unterschiedlich beschaffen. Die Ausgänge sind meistens wiefolgt benannt.

  • NO (normally open): Liegt keine Spannung an sind die Schalter offen
  • NC (normally closed): Liegt keine Spannung an sind die Schalter geschlossen
  • CO (change over): Dieser Ausgang wechselt zwischen den beiden anderen.
Das Relais dient hier als Schalter, um mit einer kleinen Spannung (Steuerstromkreis) eine größere Spannung (Laststromkreis) zu schalten.
Das Relais dient hier als Schalter, um mit einer kleinen Spannung (Steuerstromkreis) eine größere Spannung (Laststromkreis) zu schalten.

Selbstinduktion in der Spule

Kernelement des Relais ist eine Spule, die das elektromagnetische(EM) Feld zur Betätigung des Schalters erzeugt. Eine Spule hat die Eigenschaft der Selbstinduktion: Bewegte Ladungen erzeugen um den Leiter herum ein EM-Feld, das widerrum andere Ladungen in Bewegung versetzen kann. In einer Spule liegen aufgrund der Wicklung des Leiters die Windungen eng nebeneinander. Daher können bewegte Ladungen auf andere Ladungen im selben Leiter eine elektromagnetische Wirkung ausüben.

Wird also eine Spule mit Strom durchflossen, dann treibt die Selbstinduktion die Ladungen in anderen Windungen auch weiter. Wenn nun der Stromfluss unterbrochen wird (z.B. weil keine Spannung mehr anliegt), dann bleibt die Selbstinduktion zunächst noch bestehen. Sie treibt die Ladungen im Leiter weiter und erzeugt daher am Ende einen Ladungsüberschuss, während am anderen Ende ein Ladungsmangel entsteht.

Die Selbstinduktion schwächt sich mit der Zeit ab und er Stromfluss kommt schließlich zum erliegen. Bis es aber soweit ist kann der Ladungsüberschuss teilweise sehr groß werden, sodass sich am Ausgang der Spule eine hohe Spannung aufbauen kann, die sogar Bauteile beschädigen oder zerstören können.

Intuitiv kann man sich diesen Vorgang wie ein Wasserrad mit Trägheit (Spule) vorstellen. Beim Anlegen einer Wasserleitung mit Druck (Spannung) benötigt das Rad aufgrund seiner Trägheit eine Weile, bis es sich vom Wasserdruck (Ladungen) in Bewegung setzt und das Wasser weitertransportiert.  Dreht man am Eingang das Wasser ab, so dreht sich das Rad zunächst aufgrund seiner Trägheit weiter. Da es weiterhin versucht Wasser zu transportieren, entsteht am Ausgang des Wasserrads ein Überdruck, während am Eingang ein Unterdruck aufgrund von Wassermangel entsteht.

Freilaufdiode zum Schutz

Um den Aufbau einer Hochspannung zu verhindern wird parallel zur Spule eine Diode in Sperrichtung geschalten. Dioden haben als Halbleiterelemente die Eigenschaft Strom nur in eine Richtung passieren zu lassen. In Sperrichtung (antiparallel) geschalten verhindert sie den Strom über sich selbst, sodass der ganze Strom über die Spule fließen muss.

Wenn sich beim Ausschaltvorgang die Spannung am Ausgang der Spule erhöht, so herrscht dort auf einmal eine größere Spannung als am Eingang (die Spannung hat sich umgekehrt).  Für die Diode gilt dies ebenso, da sie parallel zur Spule ist. Da sich die Spannung aber nun umgekehrt hat ist sie nun für die überschüssigen Ladungen in Durchlassrichtung. Sie können zum Eingang der Spule zurückfließen, weshalb sich am Ausgang keine hohe Spannung entwickeln kann, die zerstörend wirken könnte. Die Diode wirkt also wie eine Art Rücklaufventil.

[FILM Freilaufdiode]

Nachteile von Relais

Zusammenfassung

Relais werden als Schalter für separate Stromkreise verwendet. Gerne werden sie eingesetzt um mit kleinen Spannungen größere Spannungen zu schalten. Aufgrund der Induktivität der im Relais vorhandenen Spule sollte man eine Freilaufdiode antiparallel zum Relais verwenden, da sonst schädliche Hochspannungen entstehen könnten.

 

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