Relais Wieso, weshalb, warum – Funktionsprinzipe und Einsatzgebiete von Relais

Wo finden welche Relaistypen Anwendung? Wie unterscheiden sich ein elektromechanisches Funktionsprinzip von der Halbleiter-Technologie? Hier folgt eine Übersicht.

Anbieter zum Thema

Wir decken Unklarheiten auf, recherchieren und geben Antworten – hier zum Thema Relais.
Wir decken Unklarheiten auf, recherchieren und geben Antworten – hier zum Thema Relais.
(Bild: Trueffelpix - Fotolia)

Relais schalten Stromkreise in elektrischen Geräten, Maschinen und Anlagen ein, um und aus. In einer Spül- oder Waschmaschine beispielsweise sind viele solcher kompakten fernbetätigten Schalter zu finden. Dabei handelt es sich meist um Relais für Netzspannung (230 V AC) und Ströme im Bereich von 2 A bis 16 A.

Je nach Ausführung übernehmen sie unterschiedliche Aufgaben: Leistungsrelais mit zwangsgeführten Kontakten eignen sich beispielsweise für sicherheitsrelevante Aufgaben; sogenannte Sicherheitsrelais. „Dieser Relaistyp findet Anwendung in fast jeder Aufzugs- oder Maschinensteuerung“, weiß Sebastian Holzinger, General Manager Head of Signal & Sensing Section bei Panasonic Electric Works.

In der Funktion als Koppelrelais sind sie typischerweise im Schaltschrank im Einsatz und werden dort zur Spannungsanpassung, Leistungsverstärkung, galvanischen Trennung und Signalvervielfachung verwendet. Relais sind also in unterschiedlichsten Branchen zu finden; auch im Bereich der erneuerbaren Energien. Dort koppeln und entkoppeln sie zum Beispiel in Windkraftanlagen die Teilsysteme verschiedener Steuerungs- und Leistungseinheiten.

Das Relais als Allzweckwaffe

Es ist also kein Wunder, dass diese Allzweckwaffen die am häufigsten eingesetzten Relaistypen sind. Dies bestätigt auch der statistische Jahresbericht 2014 des ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e. V., Fachverband Automation. Bei der Produktion nach Umsatz stehen Relais > 60 V – 1 kV, > 2 A – 16 A (ohne Zeit- und Messrelais) ganz oben auf der Liste. Für Samuel Krein, Produktmarketing Monitoring, und Dirk Wortmann, Senior Specialist Relay Technology & Application bei Phoenix Contact, ist das keine plötzliche Erscheinung, denn die Relais dieses Lastbereichs können die Anforderungen sehr vieler Anwendungen erfüllen. Laut der Phoenix-Contact-Experten waren die Stückzahlen daher schon immer hoch, sind aber tendenziell gestiegen.

Steigende Automatisierung

Auf den ersten Blick zeigt der ZVEI-Jahresbericht allerdings noch einen anderen Relaistyp, der – gemessen am Wert – deutlich über den klassischen Leistungsrelais im Leistungsbereich > 60 V – 1 kV, > 2 A – 16 A liegt: die Messrelais > 60 V – 1 kV. Da Mess- und Überwachungsrelais allerdings teurer in der Herstellung sind und die Statistik von Umsatzwerten ausgeht, relativiert sich die tatsächliche Stückzahl. „Betrachtet man die Stückzahlen, ist der Produktionsanteil von Mess- und Überwachungsrelais sogar eher gering im Vergleich zu anderen Relais“, erklärt Sebastian Holzinger. Frank Polley, Produktmanager Relais bei Weidmüller, ist sich dennoch sicher, dass Mess- und Überwachungsrelais weiter an Bedeutung gewinnen. Grund dafür sind laut Polley die steigende Automatisierung und Digitalisierung, die dem Trend Industrie 4.0 geschuldet sind.

Überwachungsfunktionen nehmen zu

Nach der Mechanisierung, Industrialisierung und Automatisierung ist seit 2011 die 4. Industrielle Revolution in vollem Gange. Das Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO hat die Produktionsarbeit 4.0 unter die Lupe genommen und spricht in der Studie „Produktionsarbeit der Zukunft – Industrie 4.0“ von der Vernetzung Cyber-physischer Systeme. Das bedeutet, Objekte und Aufträge steuern sich selbstständig durch die Wertschöpfungskette, was eben eine zunehmende Automatisierung, Digitalisierung und Vernetzung beinhaltet. Hier kommen nun die intelligenten Mess- und Überwachungsrelais ins Spiel.

Das Überwachungsrelais ACT 20 von Weidmüller kann Temperatur-, Phasenlage- oder Sapnnungsüberwachung realisieren.
Das Überwachungsrelais ACT 20 von Weidmüller kann Temperatur-, Phasenlage- oder Sapnnungsüberwachung realisieren.
(Bild: Weidmüller)

Polley gibt ein Beispiel: „Eine häufige Anwendung solcher Relais ist die Zustandsüberwachung von Aktoren. Die Relais überwachen sozusagen die Stromaufnahme. Parallel und unabhängig zur Steuerung werden hierbei Abweichungen zu einer voreingestellten Referenz erfasst und ausgewertet. Läuft am Aktor etwas aus dem Ruder, gibt der Ausgang ein Signal an die übergeordnete Steuerung und stößt so entsprechende Korrektur-Maßnahmen oder eine Störmeldung an.“ Weidmüller bietet beispielsweise Überwachungsrelais der Familie ACT 20 an, die Temperatur-, Phasenlage- oder Spannungsüberwachung realisieren. Eingebettet in ein Industrie-4.0-Konzept sollen sich so mit dem Relaiskontakt Prozesse entsprechend steuern und regeln lassen.

Maschinen und Anlagen sicher und fehlerfrei betreiben

Auch Thomas Schlicher, Leiter Marketing und Entwicklung bei Wieland Electric, bestätigt, dass der Zuwachs von Mess- und Überwachungsrelais vorprogrammiert ist. Denn die zunehmende Anforderung nach höchster Verfügbarkeit erfordere auch einen immer sichereren und fehlerfreien Betrieb von Maschinen und Anlagen.

Daneben gewinnen bei Panasonic Electric Works auch Hochspannungsrelais an Bedeutung und zwar für einen besonders spannenden und stark wachsenden Markt: den der Elektromobilität. „Diese Relais können durch ihren speziellen Aufbau sehr hohe Gleichspannungen bis in den kv-Bereich und sehr hohe Ströme von mehreren 100 A schalten. Jedes Elektrofahrzeug benötigt eines wenn nicht gar mehrere dieser Relais. Auch im Bereich Energieversorgung treten sehr hohe DC-Lasten auf, bei denen eine vergleichbare Relaistechnologie zum Einsatz kommt“, erklärt Holzinger.

Die Alternative: Halbleiter-Technologie

All diese Relaisarten basieren auf einem elektromechanischen Funktionsprinzip. In Konkurrenz dazu stehen die Halbleiterrelais, deren Markt deutlich wächst, das sind sich die Relais-Experten sicher. Zwar arbeiten diese Bauteile mit einem völlig anderen Funktionsprinzip, können aber die gleichen Aufgaben übernehmen. Krein und Wortmann von Phoenix Contact erklären den Unterschied der beiden Relaisarten: Während ein elektromechanisches Relais immer aus einer steuerseitigen Spule und lastseitigen mechanischen Schaltkontakten besteht, die den Stromkreis wie bei einem normalen Lichtschalter physikalisch schließen und öffnen, übernehmen bei Halbleiterrelais – wie der Name schon vermuten lässt – Halbleiter, also Transistoren oder Triacs, das Ein- und Ausschalten des Lastkreises. Dazu wechseln sie zwischen leitendem und gesperrtem Zustand.

Beide Relaistypen haben je nach Anwendung Vor- und Nachteile. Im Hinblick auf Preis/Leistung gibt es beispielsweise keine bessere Wahl als das elektromechanische Relais. Laut ABB Stotz Kontakt sprechen außerdem folgende technische Vorteile für diesen Relaistyp:

  • Galvanische Trennung zwischen steuerndem und schaltendem Stromkreis
  • Schalten von hohen Lasten mit niedriger Leistung
  • Geringer Kontaktübergangswiderstand
  • Hoher Isolationswiderstand
  • Keine Kühlung erforderlich
  • Störfestigkeit und Robustheit der Spule bei Überspannung
  • Schaltzustand mit bloßem Auge erkennbar
  • Mehrfachkontakte möglich

Leise, schnell und prellfrei schalten

Da bei der Halbleiter-Technologie keine mechanischen Kontakte bewegt werden, schalten Halbleiter-Relais dagegen geräuschlos, schnell und prellfrei. Unempfindlich gegenüber Schock und Vibration beeinflussen bzw. stören sie benachbarte Baugruppen nicht während des Schaltvorgangs durch elektromagnetische Felder oder Schaltfunken. Sie haben keine mechanischen Bauteile, die verschleißen können, daher ist ihre Lebensdauer quasi unbegrenzt. Die auch bei Halbleiter-Relais wichtige galvanische Trennung zum eingangsseitigen Steuerstromkreis wird intern in der Regel über einen Optokoppler sichergestellt. Was dem Halbleiter allerdings fehlt, ist die galvanische Trennung am Ausgang.

Beide Technologien können in vielen Anwendungen alternativ eingesetzt werden. Die Experten von ABB Stotz Kontakt, Phoenix Contact, Wieland Electric, Panasonic Electric Works und Weidmüller sind sich einig, dass die Anforderungen des Kunden und die jeweilige Applikation darüber entscheiden, ob elektromechanische oder Halbleiter-Relais zum Einsatz kommen. Dabei spielen wirtschaftliche als auch technische Gesichtspunkte eine Rolle. Der Preis für Halbleiter-Relais beispielsweise steigt mit der Schaltleistung. Im Vergleich zu klassischen elektromechanischen Relais soll der Preisunterschied ab 1 A Laststrom stark zunehmen. „Der Anwender wird stets im Spannungsfeld zwischen Kosten, technischer Performance und Zuverlässigkeit entscheiden müssen, welcher Komponente er den Vorzug gibt“, ergänzt Phoenix-Contact-Spezialist Wortmann.

Bei Panasonic Electric Works spricht man letztendlich gerne von einer „harmonischen Koexistenz“ der beiden Relaisfunktionsprinzipe.

(ID:43867209)