Wie funktionieren Relais und wie werden sie verwendet?

Relais sind elektronische Schalter. Sie nutzen Elektromagnetismus, um einen schweren Stromkreis mit einem kleinen Signal zu schalten. Ideal für Projekte mit Arduino, Raspberry Pi oder ESP32. Sie isolieren die Steuerseite von der Lastseite. Auf diese Weise schützen Sie Ihren Mikrocontroller und können höhere Spannungen oder Ströme schalten, als der Chip verarbeiten kann. Am besten lässt es sich als Ein-/Ausschalter betrachten, den Sie nicht von Hand, sondern mit einem Mikrocontroller bedienen.

Mechanisch oder Festkörper

Es gibt zwei Arten von Relais: mechanische und Halbleiterrelais (SSR).

Mechanische Relais haben eine Spule und einen Eisenkern. Wenn Sie Strom an die Spule anlegen, wird ein Magnetfeld erzeugt. Dadurch wird ein Anker angezogen, der mechanische Kontakte schließt oder öffnet. Sie können zwischen drei Kontaktarten wählen: NO (normalerweise offen), NC (normalerweise geschlossen) oder COM (Kombi).

Mechanische Relais sind kostengünstig und können hohe Ströme verarbeiten. Allerdings machen sie ein Klickgeräusch und verschleißen nach Millionen von Schaltvorgängen.

Halbleiterrelais schalten mit Halbleitern wie Triacs oder MOSFETs. Sie haben keine beweglichen Teile. Dadurch sind sie leise, schnell und nahezu verschleißfrei. Sie sind teurer und können einen kleinen Leckstrom fließen lassen.

Wie funktioniert ein mechanisches Relais?

Das Herzstück des mechanischen Relais bildet eine Spule . Strom durch die Spule erzeugt ein Magnetfeld. Das zieht den Anker. Schließerkontakte schließen, Öffnerkontakte öffnen. Nimmt man die Spannung weg, fällt der Anker zurück.

Hinweis: Wenn der Strom stoppt, bricht das Magnetfeld zusammen. Dies führt zu einer hohen Spannungsspitze, auch als Gegen-EMK bekannt. Schützen Sie Ihren Mikrocontroller mit einer Freilaufdiode oder einem Snubber-Schaltkreis. Sie leiten den Gipfel sicher um.

Halbleiterrelais erklärt

Ein Halbleiterrelais verfügt über einen Eingang, einen Optokoppler und ein Schaltbauteil wie beispielsweise einen Triac oder MOSFET. Der Eingang steuert eine LED an, die den Optokoppler aktiviert. Dieser wiederum steuert den Schalter.

Halbleiterrelais arbeiten mit einem breiten Spannungsbereich von 3–32 V DC bis 90–280 V AC. Sie schalten schnell und berührungslos. Ideal für den intensiven Gebrauch. Aber Vorsicht: Manche lassen auch im ausgeschalteten Zustand etwas Strom durch.

Relais mit Mikrocontrollern steuern

Arduino

Ein Arduino liefert 5 V und einige Milliampere pro Pin. Verwenden Sie daher ein fertiges Relaismodul. Dieser verfügt normalerweise über einen eingebauten Transistor und eine Freilaufdiode.

Verbinden Sie VCC und GND mit dem Arduino. Verbinden Sie den Signalpin mit einem digitalen E/A. Drücken Sie HIGH oder LOW zum Schalten. Mit einfachem C++-Code können Sie eine Lampe oder einen Motor zum Laufen bringen.

Raspberry Pi

Die GPIOs auf einem Pi liefern 3,3 V und können Spitzen von bis zu 16 mA verarbeiten. Verwenden Sie ein Relaismodul mit 3,3-V-Trigger oder schalten Sie einen Transistor dazwischen.

Die Anschlüsse erfolgen wie folgt: GPIO → Transistor → Spule → Stromversorgung. Verwenden Sie Python mit RPi.GPIO, um das Relais zu steuern. Vergessen Sie nicht die Freilaufdiode.

ESP32

Der ESP32 arbeitet mit 3,3 V und kann bis zu 40 mA pro Pin liefern. Wählen Sie Relaismodule mit niedrigem Einschaltstrom oder bauen Sie einen Treiber mit einem Transistor und einem Widerstand.

Dank WLAN und Bluetooth eignet sich der ESP32 perfekt zur Fernsteuerung. Denken Sie an Lichter oder Benachrichtigungen über MQTT.

Worauf achten Sie bei Ihrer Auswahl?

Sehen Sie sich zunächst die Spannung und den Strom Ihrer Last an. Wählen Sie ein Relais, das das 1,5-Fache bewältigen kann. So fangen Sie Einschaltspitzen ab.

Bestimmen Sie, welche Art von Kontakt Sie benötigen. NO für Standard-Aus, NC für Ausfallsicherheit bei Stromausfall.

Beachten Sie den Steuerstrom. Mechanische Relais benötigen oft 5 oder 12 V und mehrere zehn mA. Halbleiterrelais schalten über eine LED bereits bei wenigen mA.

Sorgen Sie für eine gute Isolierung und sichere Abstände zwischen Hoch- und Niederspannungsteilen. Berücksichtigen Sie auch die Schaltgeschwindigkeit: mechanisch etwa 10 ms, SSR oft weniger als 1 ms. Lebensdauer: mechanisch einige Millionen Schaltspiele, SSR deutlich länger.

Achten Sie abschließend auf Abmessungen, Montage und Kühlung.

Praktische Anwendungen

Erleichterung

Verwenden Sie ein 5-V-Relaismodul mit Arduino oder ESP32, um eine 230-V-Lampe zu schalten. Lassen Sie den Neutralleiter aus Sicherheitsgründen unverändert.

Motoren und Pumpen

Wählen Sie für induktive Lasten ein Relais, das für Wechselstrom geeignet ist. Beispielsweise ein mechanisches 10-A-Relais. Oder ein SSR mit Triac. Berücksichtigen Sie dann den Leckstrom, der Hitze verursachen kann.

HVAC und schwere Lasten

Verwenden Sie für große Systeme wie HVAC Relais mit einer Nennspannung von 230 V und mindestens 16 A. Fügen Sie einen Überspannungsschutz wie MOVs oder einen RC-Snubber hinzu.

Sicherheit geht vor

Achten Sie auf eine gute Isolierung und Erdung, insbesondere bei Netzspannung. Verwenden Sie Freilaufdioden oder Snubber, um Spitzen zu erfassen. Bringen Sie Warnhinweise an Ihrem Gehäuse an.

Verwenden Sie im Notfall Schalter zur manuellen Steuerung. Und denken Sie an EMI-Filter, um Störungen zu vermeiden.

Abschluss

Wenn Sie hohe Lasten mit niedriger Spannung schalten möchten, sind Relais unerlässlich. Entscheiden Sie sich für ein mechanisches Relais? Dann profitieren Sie vom günstigen Preis und der hohen Leistung. Wollen Sie ein SSR? Dann erhalten Sie Geschwindigkeit und Langlebigkeit.

Ihre Wahl hängt von Spannung, Strom, Verhalten und Sicherheit ab. Mit diesen Richtlinien können Sie zuverlässige Schaltungen mit Arduino, Pi oder ESP32 bauen.