Relais

Ein Mikrocontroller soll eine Pumpe an 230 V einschalten, eine Heizung oder eine Autohupe. Sein Ausgang liefert 3,3 V und ein paar Milliampere – und er darf mit dem Netz auf keinen Fall elektrisch verbunden sein. Das klassische Bauteil für diese Aufgabe ist das Relais: ein elektrisch betätigter Schalter. Ein kleiner Strom durch eine Spule bewegt mechanische Kontakte, die einen völlig getrennten Stromkreis schalten. Es klickt hörbar, und genau das macht es so verständlich: Steuerkreis und Lastkreis haben nur ein Magnetfeld gemeinsam.

Aufbau und Funktionsweise

Ein elektromagnetisches Relais besteht aus einer Spule mit Eisenkern, einem beweglichen Anker aus Weicheisen, einer Rückstellfeder und einem oder mehreren Kontaktsätzen.

Fließt Strom durch die Spule, magnetisiert sie den Eisenkern (siehe Elektromagnetismus). Der Kern zieht den Anker an, und der Anker drückt den beweglichen Kontakt um. Wird der Strom abgeschaltet, zieht die Feder den Anker zurück, und die Kontakte kehren in die Ruhelage zurück. Je nach Kontaktart passiert dabei Folgendes:

• Schließer (NO, normally open, auch Arbeitskontakt): offen in Ruhe, geschlossen bei erregter Spule.
• Öffner (NC, normally closed, auch Ruhekontakt): geschlossen in Ruhe, offen bei erregter Spule.
• Wechsler (CO oder SPDT): ein gemeinsamer Anschluss (COM), der in Ruhe mit NC und bei erregter Spule mit NO verbunden ist.

Relais mit mehreren Kontaktsätzen schalten mehrere Kreise gleichzeitig. Die Kurzbezeichnungen SPST, SPDT, DPDT stehen für die Zahl der Pole (single, double) und der Schaltstellungen (single throw, double throw).

Der Anker braucht mehr Kraft, um angezogen zu werden, als um angezogen zu bleiben: Im angezogenen Zustand ist der Luftspalt im Magnetkreis winzig, das Feld wirkt viel stärker. Deshalb liegt die Abfallspannung weit unter der Ansprechspannung – das Relais hat eine eingebaute Hysterese und flattert nicht, wenn die Spannung leicht schwankt.

Schaltzeichen

Die Spule wird als Rechteck mit zwei Anschlüssen gezeichnet, die Kontakte als Schalter. Eine gestrichelte Linie (Wirkverbindung) zeigt, welche Kontakte zu welcher Spule gehören. In größeren Plänen stehen Spule und Kontakte oft weit auseinander; dann verbindet sie nur das gemeinsame Kurzzeichen, etwa K1. Kontakte werden immer in Ruhelage gezeichnet, also bei stromloser Spule. Mehr Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Die Kennwerte teilen sich in die der Spule und die der Kontakte.

Auffällig ist der Unterschied zwischen Wechsel- und Gleichspannung. Beim Öffnen eines Kontakts unter Last entsteht ein Lichtbogen. Bei Wechselstrom erlischt er spätestens im nächsten Nulldurchgang, bei Gleichstrom brennt er weiter, bis der Kontaktabstand groß genug ist. Deshalb verträgt dasselbe Relais bei Gleichspannung viel weniger Spannung – oft nur 30 V bei vollem Strom.

Weitere Grenzen sind die mechanische Lebensdauer (oft 10 Millionen Schaltspiele ohne Last) und die elektrische Lebensdauer (oft nur 100 000 Schaltspiele bei Nennlast). Kontakte prellen beim Schließen für einige Millisekunden, bevor sie sicher anliegen.

Bauformen

• Printrelais (Leistungsrelais): die würfelförmigen Typen auf vielen Mikrocontroller-Modulen, für 5 bis 16 A und Netzspannung. Beispiele sind Omron G5LE, Finder 36 oder der verbreitete Songle SRD.
• Signalrelais: klein, mit vergoldeten Kontakten für Ströme im Milliampere-Bereich, etwa in Messgeräten und zum Umschalten von Audiosignalen.
• Kfz-Relais: 12 oder 24 V Spulenspannung, Flachstecker, 30 bis 70 A.
• Reedrelais: Ein Reedkontakt im Glasröhrchen, umgeben von einer Spule. Sehr schnell, langlebig und mit kleinem Spulenstrom, aber nur für kleine Lasten.
• Bistabile Relais (Stromstoßrelais, latching): Ein kurzer Impuls schaltet um, danach hält ein Dauermagnet die Stellung ohne Strom. Ideal für batteriebetriebene Geräte.
• Industrierelais und Schütze: steckbar auf Sockeln im Schaltschrank; Schütze schalten Motoren und Lasten mit vielen Kilowatt.

Ansteuerung am Mikrocontroller

Ein GPIO-Pin liefert meist nur 10 bis 20 mA – zu wenig für eine Relaisspule mit 80 mA. Ein Transistor übernimmt den Spulenstrom. Parallel zur Spule liegt eine Freilaufdiode in Sperrrichtung: Beim Abschalten will die Spule ihren Strom weitertreiben und würde ohne Diode eine Spannungsspitze von vielen hundert Volt erzeugen, die den Transistor zerstört (siehe Spule im Gleichstromkreis und Induktion).

Den Basiswiderstand rechnest du mit dem Rechner nach:

Die einfache Freilaufdiode hat einen Nachteil: Sie hält den Spulenstrom lange aufrecht, das Relais fällt langsamer ab, und die Kontakte öffnen träger – das fördert Lichtbögen. Eine Z-Diode in Reihe zur Freilaufdiode lässt eine höhere Gegenspannung zu und baut den Strom schneller ab. Die Z-Spannung plus Versorgungsspannung muss dabei unter der zulässigen Spannung des Transistors bleiben.

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst die Kontakte nach Lastart, Spannung (AC oder DC) und Strom, dann die Spulenspannung passend zu deiner Versorgung. Prüfe danach die Isolation zwischen Spule und Kontakten, wenn Netzspannung im Spiel ist.

Häufige Fehler:

• Freilaufdiode vergessen oder verkehrt herum: Ohne Diode stirbt der Transistor nach einigen Schaltspielen. Falsch herum schließt die Diode die Versorgung über den Transistor kurz.
• Kontakte nach dem AC-Wert für DC ausgewählt: 10 A bei 250 V AC bedeuten nicht 10 A bei 48 V DC. Für Gleichstrom zählt die DC-Angabe.
• Induktive und kapazitive Lasten unterschätzt: Motoren und Trafos erzeugen beim Abschalten Lichtbögen, Netzteile und LED-Lampen ziehen beim Einschalten Spitzenströme von vielen Ampere, die Kontakte verschweißen können.
• Leistungsrelais für kleine Signale: Kontakte aus Silberlegierung brauchen eine Mindestlast, um eine Oxidschicht durchzuschlagen. Für Signale im Milliampere-Bereich nimmst du Relais mit vergoldeten Kontakten.
• Abstände auf der Platine nicht eingehalten: Zwischen Netzspannungsseite und Kleinspannung braucht es ausreichende Luft- und Kriechstrecken, oft mit Schlitz in der Platine. Prüfe sie mit dem Leiterabstand-Rechner und lies Schutzmaßnahmen.

Selbsttest