Signalrelais kommen insbesondere in der Kommunikation zum Einsatz, sowohl in Verbraucher- als auch in Industrieprodukten.

Signalrelais kommen insbesondere in der Kommunikation zum Einsatz, sowohl in Verbraucher- als auch in Industrieprodukten. (Bild: CUI)

Obwohl es Relais seit dem Jahr 1835 gibt, werden sie weiterhin auf unzählige Arten eingesetzt. Einige der allerersten Computer wurden durch Verkabelung einer großen Anzahl von Relais zusammengebaut, um boolesche Logikfunktionen (ein oder aus) auszuführen. Aber was genau sind Signalrelais und wie werden sie eingesetzt?

Was sind Signalrelais?

Signalrelais haben interne bewegliche Teile oder Kontakte, die sich zwischen geöffneten und geschlossenen Positionen als Ergebnis einer magnetischen Kraft, die durch einen Steuerstrom erzeugt wird, der in einer Spule in der Nähe der Kontakte fließt, bewegen. Das Magnetfeld aktiviert einen Anker, der sich verschiebt, um das Schließen des Kontakts und den Stromfluss zu bewirken. Dies ist eine Möglichkeit für ein relativ kleines Signal, ein größeres Signal zu steuern.

Signalrelais ähneln in Form und Funktion den Leistungsrelais, da es sich im Wesentlichen um elektrisch betriebene elektromechanische Schalter, die einen Strom in einem Stromkreis steuern, handelt. Der Unterschied besteht darin, dass Signalrelais mit niedrigen Spannungs- und Stromwerten arbeiten und Signale mit niedriger Leistung schalten. Die Stromstärken von Signalrelais liegen normalerweise unter 2 A und die Spannungen gewöhnlich zwischen 5 VDC und 30 VDC. Aus diesem Grund werden sie auch als „Relais mit niedrigem Signal“ bezeichnet.

Wie unterscheiden sich Signalrelais von regulären Relais?

Signalrelais haben eine ähnliche Funktion wie andere elektromechanische Relais, mit dem Unterschied, dass sie am besten für Niederspannungs- und Stromanwendungen geeignet sind. Ihre Kontakte sind speziell auf geringen Stromverbrauch ausgelegt. Leistungsrelais, die für den Betrieb bei höheren Strom- und Spannungswerten ausgelegt sind, werden manchmal wegen ihrer geringeren Kosten für Anwendungen ausgewählt. Leistungsrelais können jedoch Signale mit geringer Leistung, z. B. in Audio- oder Videokreisen, verfälschen und die Kostengleichung auf den Kopf stellen.

Signalrelais sind aufgrund ihrer geringen Belastbarkeit auch in relativ kleinen Gehäusen erhältlich, die sich gut für die Leiterplattenmontage eignen, und zwar sowohl für die Durchsteck- als auch für die Oberflächenmontage. Ihre kleinere Größe kann auch etwas schnellere Schaltzeiten bieten.

Signalrelais sind in der Regel kostengünstiger als Halbleiterrelais, werden nicht von Spannungs- oder Stromtransienten beeinflusst und sind nicht anfällig für EMI/RFI. Die Anpassung von Signalrelais an eine geeignete Schaltung bedeutet auch weniger Wärmeentwicklung als die Verwendung von Halbleiterrelais. Infolgedessen erfordert die Verwendung von Signalrelais in der Regel keine Wärmemanagementlösung in der Schaltung.

Vergleich der Eigenschaften von Low-Signal-Relais und High-Level-Relais
Vergleich der Eigenschaften von Low-Signal-Relais und High-Level-Relais (Bild: CUI)

Diese Vorteile bieten Signalrelais

Aufgrund ihres ähnlichen Aufbaus und ihrer Funktionsweise kann die Verwendung von Signalrelais in einem Projekt viele der gleichen Vorteile wie andere elektromechanische Relais bieten. Dazu gehören:

  • Einfaches Design
  • Elektrische Isolierung
  • Robuste Bedienung
  • Reduzierung der kostspieligen Verkabelung über eine Distanz
  • Mehrere Verpackungs-/Funktionsoptionen
  • Unempfindlichkeit gegenüber EMI/RFI

Die Verwendung von Signalrelais, die richtig auf den Strombedarf der Schaltung abgestimmt sind, kann auch diese zusätzlichen Vorteile bieten:

  • Einfache Bedienung
  • Kompakte Größe
  • Niedrigere Kosten
  • Mechanische Stoßfestigkeit
  • Hohe Isolation zwischen der internen Spule und den Kontakten

Spezifikationen von Signalrelais

Bei der Entscheidung über das spezifische Signalrelaismodell, das in einem Design funktionieren soll, müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Hier ist eine Liste einiger Begriffe und Definitionen, die sich darauf beziehen:

  • Nennspannung: die maximale Spannung, die vom Relais geschaltet werden kann, normalerweise ausgedrückt in VDC oder VAC.
  • Nennstrom: der maximal schaltbare Strom, ausgedrückt in Ampere.
  • Kontaktwiderstand: der Widerstand, ausgedrückt in Ω, den das Relais zum Lastkreis hinzufügt.
  • Spulenspannung: die Bemessungssteuerspannung für die Relaisspule.
  • Spulenstrom: der Nennstrom, den die Spule mit der Nennspulenspannung aufnimmt.
  • Kontaktform: die Schalterkonfiguration des Relais (Anzahl der Pole und normalerweise offene oder normalerweise geschlossene Konfiguration). Beispiele sind SPDT (1 Form C) und DPDT (2 Form C).
  • Kontaktnennwert: gibt die Strom- und Spannungswerte für die garantierte Leistung des Relais, in der Regel z. B. als 1 A @ 30 VDC ausgedrückt, an.
  • Schaltzeit: Die Betriebsgeschwindigkeit des Relais ab dem Zeitpunkt, zu dem der Steuerstrom beim Schließen der Kontakte angelegt wird, oder umgekehrt.
  • Montageart: Die Art und Weise, wie das Relais in der Anwendung montiert wird, in der Regel entweder durch ein Loch oder eine Oberflächenmontage auf der PC-Platine.
  • Spannungsfestigkeit: die maximale Spannung, die vom Relais ohne Beschädigung für einen bestimmten Zeitraum toleriert werden kann.
  • Betriebstemperatur: der Temperaturbereich, in dem ein Relais erfolgreich arbeiten kann.

Schritte zur Auswahl eines Signalrelais

Der Prozess der Auswahl des geeigneten Signalrelais für ein Design ist dem der Auswahl eines anderen elektromechanischen Relais sehr ähnlich. Dies beginnt mit der Identifizierung der erforderlichen Spannungs- und Strombelastungen des Relais basierend auf der maximalen Last, die im Stromkreis geschaltet werden muss. Es ist dabei zu beachten, dass Signalrelais per Definition normalerweise 2 A oder weniger schalten.

Der nächste Schritt besteht darin, die erforderliche Steuerspannung und den Typ, entweder AC oder DC, zu identifizieren und die Anzahl der Pole/Stromkreise zu definieren, die geschaltet werden müssen, zusammen mit der Frage, ob der Stromkreis/die Schaltanordnung normalerweise offen (NO) oder normalerweise geschlossen (NC) sein muss.

Anschließend ist zu bestimmen, wie das Gerät im Stromkreis montiert wird. Zu den Optionen gehören Plattenmontage, DIN-Schiene, Leiterplattenoberflächenmontage oder Durchgangsbohrung. DIe endgültige Parameterliste gestattet es dem Entwickler, ein Relais zu identifizieren, das den Anforderungen seines Systems entspricht, aber nicht überentwickelt oder überteuert ist.

Häufige Signalrelaisanwendungen

Wie bereits erwähnt, wurden Relais im Laufe der Jahre für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt. Signalrelais sind aufgrund ihrer geringen Schaltleistung eine effiziente Lösung für viele Produkte und Systeme, und zwar sowohl für gewerbliche Anwendungen als auch für den Endverbraucher. Einige der Anwendungen für Signalrelais umfassen Netzwerkgeräte, bei denen Langstreckensignale eine höhere Spannung und einen höheren Strom benötigen, als die meisten Elektronikgeräte nativ verarbeiten können. Signalrelais füllen diese Nische in Netzwerkgeräten, die eine schnelle Reaktionsfähigkeit und nicht so viel Leistung benötigen, wie ein Leistungsrelais bieten würde. Ähnlich verhält es sich mit den Einstellungen, mit denen die meisten Menschen vertraut sind: Ein Thermostat für den Hausgebrauch oder für gewerbliche Zwecke wird mit einer relativ niedrigen Spannung und Stromstärke betrieben, muss dieses Signal jedoch mehr als nur ein paar Zentimeter an den Ofen oder die Klimaanlage weiterleiten. In diesem Fall kann ein Signalrelais das kleine Steuersignal mit geringer Leistung nehmen und es verwenden, um die Nachricht über das Haus oder Büro zu senden, wo der Kondensator Maßnahmen ergreifen kann.

Richtlinien für die Auswahl des Signalrelais vom Spannungsbereich bis zur Bestückung.
Richtlinien für die Auswahl des Signalrelais vom Spannungsbereich bis zur Bestückung. (Bild: CUI)

Zusammenfassung

Trotz der Differenziertheit vieler elektronischer Systeme, die heutzutage entwickelt werden, oder vielleicht aufgrund dieser Differenziertheit stehen Konstrukteure oft vor der Notwendigkeit einer vollständigen elektrischen Trennung zwischen einem Schaltsignal und dem Signal, das geschaltet werden muss. Eine sichere Steuerung von Strom und Spannung aus der Ferne ist entscheidend.

Signalrelais werden sowohl bei Verbraucher- als auch bei Industrieprodukten und -systemen häufig verwendet, um die Stromversorgung in vielen Arten von Stromkreisen sicher zu schalten. Sobald Sie die Anforderungen Ihres Designs festgelegt haben, bietet CUI Devices eine Reihe von Signalrelais an, die die Anforderungen an das Schalten von Schwachstrom erfüllen. (na)

Jeff Smoot

CUI Devices

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