Der Unterschied zwischen selbsthaltenden und nicht selbsthaltenden Relais

Relais sind nach wie vor eine grundlegende Komponente in modernen elektronischen Systemen, die eine zuverlässige Steuerung von Schaltkreisen in industriellen, kommerziellen und Verbraucheranwendungen ermöglichen. Von HLK-Systemen und intelligenter Infrastruktur bis hin zu industrieller Automatisierung und Energiemanagement bieten Relais eine einfache, aber effektive Möglichkeit, Lasten zu schalten und Steuersignale zu isolieren. Da sich die Systemanforderungen immer weiter in Richtung höherer Effizienz und Zuverlässigkeit entwickeln, wird die Auswahl des geeigneten Relaistyps immer wichtiger.

Ein nicht selbsthaltendes Relais bleibt nur aktiviert, wenn seine Spule ständig unter Strom steht, während ein selbsthaltendes Relais seine Stellung auch nach dem Abschalten der Stromversorgung beibehält. Aufgrund dieser unterschiedlichen Funktionsprinzipien ist jeder Relaistyp für bestimmte Anwendungen besser geeignet. Wenn die Ingenieure wissen, wie und wann die einzelnen Optionen eingesetzt werden, können sie sowohl die Performance als auch den Energieverbrauch ihrer Anwendung optimieren.

Beide Relaistypen spielen in allen Branchen eine wichtige Rolle, und Same Sky unterstützt eine breite Palette von Relaislösungen. In diesem Artikel werden ihre Hauptunterschiede, Vorteile und Grenzen sowie praktische Anleitungen für die Implementierung beschrieben.

Relais-Grundlagen: eine kurze Auffrischung

Vor dem Vergleich von Relaistypen ist es hilfreich, sich die Funktionsweise elektromechanischer Relais vor Augen zu führen. Ein typisches Relais umfasst:

• Eine Spule, die bei Erregung ein Magnetfeld erzeugt
• Eine Armatur, die sich zum Öffnen oder Schließen von Kontakten bewegt
• Eine Feder, die den Anker bei nicht selbsthaltenden Konstruktionen in seine Standardposition zurückbringt

Es gibt verschiedene Kontaktkonfigurationen, darunter SPST- (einpoliger Schalter) und SPDT-Anordnungen (einpoliger Umschalter), die Flexibilität bei der Schaltungsentwicklung ermöglichen. Da Relais auf einer mechanischen Bewegung beruhen, erfolgt das Schalten nicht sofort. Mehrere zeitliche Merkmale beeinflussen die Performance:

• Betätigungszeit: Verzögerung zwischen Spulenerregung und Kontaktbewegung
• Freigabezeit: Zeit, die benötigt wird, um nach dem Ausschalten der Stromversorgung in den Standardzustand zurückzukehren
• Kontaktprellen: Schnelle, kurze Schwankungen beim Schalten
• Mindestimpulsbreite: Kürzester Impuls, der erforderlich ist, um das Relais zuverlässig zu betätigen

Diese Parameter sind besonders wichtig bei schnell schaltenden Systemen und bei Konstruktionen mit selbsthaltenden Relais.

Nicht selbsthaltende Relais

Nicht selbsthaltende Relais, auch monostabile Relais genannt, haben einen stabilen Zustand und sind auf einen kontinuierlichen Spulenstrom angewiesen, um betätigt zu bleiben. Wenn der Strom abgeschaltet wird, bringt die interne Feder die Kontakte in ihre ursprüngliche Position zurück.

Dieses Verhalten macht sie zu einer guten Wahl für sicherheitsorientierte Systeme, die bei einem Stromausfall einen bekannten Zustand annehmen müssen. Sie sind auch leicht zu implementieren, da die Steuerschaltung relativ einfach und kostengünstig ist. Die kontinuierliche Erregung der Spule erhöht jedoch den Stromverbrauch. Im Laufe der Zeit kann dies zu einem Wärmestau in der Spule führen, der sich auf die Langlebigkeit auswirken kann, wenn er nicht richtig behandelt wird.

Abbildung 1: Querschnitt eines typischen nicht selbsthaltenden Relais. (Bildquelle: Same Sky)

Selbsthaltende Relais

Selbsthaltende Relais oder bistabile Relais behalten ihren letzten Schaltzustand bei, ohne dass eine kontinuierliche Stromversorgung erforderlich ist. Dies wird entweder durch einen Permanentmagneten oder eine mechanische Verriegelung erreicht, die den Anker in Position hält. Ein kurzer elektrischer Impuls wird verwendet, um den Zustand zu ändern.

Diese Konstruktion bietet erhebliche Effizienzvorteile. Da die Spule nur kurzzeitig unter Strom steht, wird der Stromverbrauch im Standby-Modus minimiert und die thermische Belastung verringert. Selbsthaltende Relais sind besonders wertvoll für Anwendungen, bei denen die Aufrechterhaltung des Zustands bei Stromunterbrechungen entscheidend ist.

Diese Vorteile sind jedoch auch mit Nachteilen verbunden. Die Ansteuerungsschaltung ist komplexer, insbesondere bei Einzelspulen, die eine Umpolung erfordern. Außerdem können Konstruktionen, die auf Dauermagneten beruhen, empfindlich auf Überstrom oder mechanische Stöße reagieren, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann.

Abbildung 2: Querschnitt eines typischen selbsthaltenden Relais. (Bildquelle: Same Sky)

Innerhalb der selbsthaltenden Relais gibt es einspulige und zweispulige selbsthaltende Ausführungen, die beide ihre Position ohne ständige Stromversorgung beibehalten, sich aber in der Art der Steuerung unterscheiden.

• Bei Einzelspulenkonstruktionen wird eine Spule sowohl zum Setzen als auch zum Zurücksetzen des Relais verwendet. Schaltzustände erfordern die Umkehrung der Polarität der angelegten Spannung.
• Bei Doppelspulenkonstruktionen werden zwei separate Spulen verwendet - eine zum Setzen und eine zum Zurücksetzen.

Doppelspulenrelais benötigen zwar zusätzliche Pins und etwas mehr Platz, vereinfachen aber die Steuerschaltung, da sie keine Polaritätsumkehr benötigen.

Vergleich zwischen selbsthaltenden und nicht selbsthaltenden Relais

Tabelle 1 fasst die wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Relaistypen kurz zusammen.

Tabelle 1: Hauptunterschiede zwischen gängigen Relaisdesigns. (Bildquelle: Same Sky)

Bewährte Methoden für die zuverlässige Integration von Relais

Selbst qualitativ hochwertige Relais erfordern angemessene Konstruktionsverfahren, um eine langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Eine durchdachte Implementierung kann die Performance und Lebensdauer des Systems erheblich verbessern.

Bei nicht selbsthaltenden Relais, die Gleichstromspulen verwenden, ist das Hinzufügen einer Flyback-Diode über der Spule unerlässlich. Dadurch werden Spannungsspitzen, die beim Abschalten entstehen, unterdrückt und die umliegende Elektronik geschützt. Auch die Steuerung des Einschaltstroms ist wichtig, insbesondere beim Schalten von kapazitiven oder magnetisierenden Lasten, die beim Einschalten große Stromstöße erzeugen können.

Bei selbsthaltenden Relais ist die präzise Steuerung des Betätigungsimpulses entscheidend. Bei Einzelspulen-Designs kann die Verwendung eines speziellen Treiber-ICs oder einer H-Brücke die Steuerung vereinfachen und einen gleichmäßigen Betrieb gewährleisten. Das Timing des Impulses muss sorgfältig gesteuert werden. Zu kurze Impulse können das Relais nicht betätigen, während zu lange Impulse Energie verschwenden und die thermische Belastung erhöhen. Bei Anwendungen, die Vibrationen oder Stößen ausgesetzt sind, können zusätzliche mechanische Überlegungen erforderlich sein, um unbeabsichtigtes Schalten zu verhindern.

Allgemeine bewährte Methoden gelten für beide Relaistypen. Dazu gehören die Reduzierung der Kontaktlasten, die Sicherstellung eines angemessenen Wärmemanagements und die Auswahl abgedichteter Konstruktionen für den Betrieb in rauen Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit oder Staub.

Auswahl des richtigen Relais für Ihre Anwendung

Die Wahl zwischen selbsthaltenden und nicht selbsthaltenden Relais beginnt mit dem Verständnis der Systemanforderungen. Zu den wichtigsten Aspekten gehören die Spulenspannung, die Stromverfügbarkeit, die Kontaktwerte und die Umgebungsbedingungen. Eine angemessene Leistungsreduzierung sollte immer vorgenommen werden, um zu vermeiden, dass Komponenten an ihrer maximalen Grenze betrieben werden.

Um die Auswahl zu vereinfachen, sollten Sie diese Leitfragen beachten:

• Soll das System nach einem Stromausfall in einen Standardzustand zurückkehren? Nicht selbsthaltend
• Muss das Relais seinen Zustand bei einer Stromunterbrechung beibehalten? Selbsthaltend
• Ist die Minimierung des Haltestroms entscheidend? Selbsthaltend
• Ist eine einfache Steuerschaltung vorrangig? Nicht selbsthaltend

Fazit

Bei der Wahl zwischen selbsthaltenden und nicht selbsthaltenden Relais müssen Effizienz, Steuerungskomplexität und Anwendungsanforderungen abgewogen werden. Nicht selbsthaltende Relais bieten einen einfachen Betrieb und ein inhärentes ausfallsicheres Verhalten, während selbsthaltende Relais einen geringeren Stromverbrauch und die Beibehaltung des Zustands bieten.

Das Portfolio von Same Sky umfasst beide Relaistypen und bietet Ingenieuren damit flexible Optionen für eine breite Palette von Designanforderungen. Dazu gehören Signalrelais für das Schalten niedriger Ströme und Leistungsrelais für das Schalten hoher Ströme.