Relais: Aufbau und Funktion in 3D

Relais in der Steuerung: Einsatz, Schutzbeschaltung, Fehlerbilder

Ein Relais sitzt überall dort, wo ein schwaches Signal etwas anderes schalten soll: Ein SPS-Ausgang mit 24 V DC schaltet über den Wechsler zum Beispiel ein Schütz mit 230-V-Spule oder eine Meldeleuchte. Weil der Stößel Steuer- und Laststromkreis trennt, dürfen beide verschiedene Spannungen haben.

Beim Abschalten einer Spule entstehen hohe Induktionsspannungen. Sie können elektronische Geräte wie SPS oder Zeitrelais stören oder sogar zerstören (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 4-4). Darum wird die Spule beschaltet. Die Diode ist einfach, zuverlässig und begrenzt die Spannung am stärksten, verzögert aber das Abfallen deutlich und ist nicht verpolungssicher. Varistor und RC-Glied sind verpolungssicher, gehen auch bei Wechselstrom und verzögern das Abfallen nur wenig (S. 4-6 und 4-7). Muss ein Relais schnell abfallen, ist die Diode also nicht die beste Wahl.

Am Verhalten lassen sich Fehler gut eingrenzen. Klickt das Relais nicht, obwohl an A1 und A2 die Spulenspannung anliegt, ist die Spule unterbrochen oder der Anker klemmt. Klickt es, aber der Verbraucher reagiert nicht, liegt der Fehler am Kontakt oder im Laststromkreis, das zeigt eine Durchgangsmessung zwischen 11 und 14 mit angezogenem Relais. Ist eine Freilaufdiode verkehrt herum eingebaut, schließt sie die Steuerspannung kurz: Das Relais zieht nicht an, und der speisende Ausgang wird überlastet.

Braucht eine Steuerung mehr Kontakte oder zwangsgeführte Kontakte, kommt statt eines Relais oft ein Hilfsschütz zum Einsatz. Den Aufbau zeigt Hilfsschütz in 3D.

Was ein Relaiskontakt schalten darf

Wie viel ein Kontakt verträgt, hängt nicht nur vom Strom ab, sondern auch von der Art der Last. DIN EN 60947-5-1 teilt Schaltelemente dafür in Gebrauchskategorien ein: AC-12 für ohmsche Last und Halbleiterlast in Eingangskreisen von Optokopplern, AC-14 für kleine elektromagnetische Lasten bis 72 VA und AC-15 für elektromagnetische Lasten über 72 VA (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 10-46). Eine Schützspule ist so eine elektromagnetische Last. Die Angaben für dein Relais stehen auf der Haube oder im Datenblatt.

Verwechslung: Halbleiterrelais

Manchmal sitzt im Schrank statt eines Relais mit Anker ein Halbleiterrelais. Es schaltet ohne bewegte Teile, nullspannungsschaltend, mit geringer Steuerleistung und kurzer Ansprechzeit, ist leise und hat eine hohe elektrische Lebensdauer. Viele haben einen Varistor als Überspannungsschutz und eine LED, die bei anliegender Steuerspannung leuchtet (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 4-20). Ein Klicken gibt es dort nicht, bei der Fehlersuche zeigt die LED, ob angesteuert wird. Zum Freischalten taugt ein Halbleiterrelais nicht: Halbleiterschalter sind zum Trennen nicht geeignet (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 104).

Messen im 24-V-Steuerkreis

Die meisten Relais im Schaltschrank werden mit 24 V DC angesteuert. Arbeiten unter Spannung sind nach § 8 DGUV Vorschrift 3 unter anderem erlaubt, wenn zwischen aktiven Teilen oder gegen Erde höchstens 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung anliegen. Die DGUV Information 203-001 betont aber, dass auch dann die Gefährdung durch einen Lichtbogen zu beachten ist (Ausgabe Oktober 2015, S. 34). Am Relaissockel liegen oft beide Welten nebeneinander: die 24-V-Spule an A1/A2 und am Wechsler die Spannung des geschalteten Kreises. Ist das 230 V, gilt für diese Klemmen nicht mehr die Erleichterung für kleine Spannungen.

Gleichstromlasten und Einschaltstrom

Auch für Gleichstrom kennt DIN EN 60947-5-1 Gebrauchskategorien: DC-12 für ohmsche Last und Halbleiterlast in Eingangskreisen von Optokopplern, DC-13 für das Steuern von Elektromagneten und DC-14 für elektromagnetische Lasten mit Sparwiderständen im Stromkreis. Die Tabelle zeigt auch, wie verschieden die Last beim Einschalten ist: Bei AC-12 wird mit einem Einschaltstrom in Höhe des Bemessungsbetriebsstroms gerechnet, bei AC-14 mit dem Sechsfachen und bei AC-15 mit dem Zehnfachen (Eaton Schaltungsbuch 10/23, S. 10-46). Ein Kontakt, der einen SPS-Eingang sicher schaltet, ist deshalb nicht automatisch für eine große Schützspule geeignet. Für sehr kleine Signale gibt es umgekehrt eigene Kontakte, Eaton bietet etwa einen Hilfsschalter speziell für das Schalten kleinster Signale in der Elektronikanwendung an (S. 4-2).

Der Kontakt als Störquelle

Elektromagnetische Störungen entstehen durch Vorgänge mit steilen Stromflanken, etwa Schalthandlungen. Das Tabellenbuch zählt Schaltkontakte deshalb ausdrücklich zu den Störquellen, neben Schaltnetzteilen und Frequenzumrichtern (Tabellenbuch Elektrotechnik, Cornelsen, S. 116). Gegen die Kopplung zur Störsenke helfen unter anderem räumliche Trennung, getrennte Verlegung von Stromversorgung und Datenleitungen, Entstörfilter und verdrillte Leitungen (S. 117). Die Schutzbeschaltung der Spule ist ein Teil davon, die Leitungsführung im Schrank ein anderer.

Vier Wege für die Störung

Wie die Störung vom Schaltkontakt zur empfindlichen Elektronik gelangt, teilt das Tabellenbuch in vier Kopplungsarten: galvanisch, kapazitiv, induktiv und elektromagnetisch (S. 116). Bei geschirmten Leitungen wird der Schirm an einer gemeinsamen Stelle geerdet, um eine galvanische Kopplung zu verhindern. Ein Potentialausgleichsleiter wird parallel zu geschirmten Leitungen verlegt, und Schleifenbildung wird vermieden (S. 117). Stört ein Relais im Schrank eine benachbarte Analogleitung, sind das die ersten Stellschrauben.

Weitere Störquellen nach dem Tabellenbuch sind elektronische Vorschaltgeräte, Wechselrichter und Motoren mit Kommutator, etwa Gleichstrommotoren (S. 116).