Bistabile Relais: Funktion, Ansteuerung und Auswahl

Bistabile Relais sind elektromechanische Bauteile, die ihre geschaltete Stellung auch nach dem Wegfall des Steuersignals behalten. Das ist besonders nützlich, wenn geringer Energieverbrauch und Zustandserhalt gefragt sind. Dieser Leitfaden erläutert Bauarten, Funktionsweise, Anwendungen und Auswahlkriterien.

Was ist ein bistabiles Relais?#

Ein bistabiles Relais, auch als Haftrelais oder Latching Relay bezeichnet, ist ein elektrisch betätigter Schalter, der seine Stellung ohne dauerhafte Versorgung der Spule halten kann1. Während ein monostabiles Relais für den angezogenen Zustand kontinuierliche Spulenenergie benötigt, genügt beim bistabilen Relais ein kurzer Umschaltimpuls. Den erreichten Zustand behält es bis zum nächsten entsprechenden Impuls.

Bauarten bistabiler Relais#

Sinnvoll ist die Unterscheidung nach Haltemechanismus und nach der Reaktion auf das Ansteuersignal.

1. Magnetisch gehaltene Relais nutzen einen Permanentmagneten, um die Kontaktstellung nach dem Schalten zu halten. Übliche Spulenausführungen sind Ein- und Zweispulenrelais; dies ist nicht mit der Anzahl geschalteter Phasen zu verwechseln1.

2. Mechanisch gehaltene Relais verwenden eine Verriegelung, die die Kontakte bis zum entgegengesetzten Befehl in ihrer Stellung hält.

3. Stromstoß- oder Schrittrelais wechseln ihren Kontaktzustand durch aufeinanderfolgende Impulse. Das beschreibt ihr Steuerverhalten und keinen allgemein gültigen dritten Haltemechanismus. Die zulässige Stoß- und Vibrationsbelastung ist im jeweiligen Datenblatt zu prüfen.

So arbeiten bistabile Relais#

Die genaue Funktion hängt von der Konstruktion ab. Das folgende Beispiel beschreibt ein magnetisch gehaltenes Zweispulenrelais.

1. Setzen: Ein Impuls an der Setzspule erzeugt ein Magnetfeld, das den Anker bewegt und die Kontakte umschaltet.

2. Halten: Nach dem Umschalten hält der Permanentmagnet den Anker fest. Die neue Kontaktstellung bleibt bestehen, wenn der Impuls endet.

3. Rücksetzen: Ein Impuls an der Rücksetzspule erzeugt ein entgegengesetztes Magnetfeld, löst den gehaltenen Zustand und bewegt den Anker in seine Ausgangsstellung zurück.

Einspulen- und Zweispulenrelais#

Bistabile Relais gibt es mit einer oder mit zwei Spulen.

• Einspulenrelais: Dieselbe Spule übernimmt Setzen und Rücksetzen. Die Stromrichtung bestimmt den jeweiligen Vorgang.

• Zweispulenrelais: Separate Spulen übernehmen das Setzen und das Rücksetzen.

Vorteile bistabiler Relais#

Bistabile Relais bieten mehrere Vorteile, deren Voraussetzungen bei der Auswahl zu beachten sind.

1. Energieeffizienz: Die Spule benötigt Energie zum Umschalten, aber keine dauerhafte Halteleistung. Das eignet sich für batteriebetriebene Geräte; Treiber- und Überwachungsschaltungen können dennoch Strom verbrauchen.

2. Zustandserhalt: Nach dem Abschalten der Spulenversorgung bleibt die letzte Kontaktstellung bestehen. Das System muss einen sicheren Startzustand definieren und mögliche Zustandsänderungen durch Handhabung oder übermäßige Stöße berücksichtigen.

3. Geringere Spulenerwärmung: Ohne dauerhaften Haltestrom sinkt die Spulenverlustleistung gegenüber einem ansonsten vergleichbaren monostabilen Relais. Bei fließendem Laststrom entstehen weiterhin Kontaktverluste.

4. Leiterplattenintegration: Es sind bistabile Relais für die Platinenmontage erhältlich. Die Abmessungen hängen jedoch von Kontaktbelastbarkeit, Isolation und Gehäuse ab, nicht allein von der bistabilen Funktion.

5. Lastschaltung: Manche Modelle schalten hohe Lasten. Grenzen für Spannung, Strom, Einschaltstrom und Lastart müssen dem Datenblatt des konkreten Relais entnommen werden.

6. Zuverlässigkeit: Kontaktlebensdauer und sichere Umschaltung hängen von Last, Ansteuerimpuls und Umgebung ab. Eine bistabile Konstruktion ist keine allgemeine Sicherheitsgarantie.

Anwendungen bistabiler Relais#

Bistabile Relais werden in vielen Bereichen zur Lastschaltung und Zustandsspeicherung eingesetzt.

1. Fahrzeugtechnik: Beispielsweise in Türverriegelungen und anderen Funktionen, bei denen eine Stellung gehalten werden soll3.

2. Energiemanagement: Laststeuerung und Überwachung in intelligenten Netzen und Energiezählern.

3. Industrieautomation: Beispielsweise in Förderanlagen und Verpackungsmaschinen1.

4. Beleuchtungssteuerung: In Wohngebäuden und gewerblichen Anlagen1.

5. Telekommunikation: Leitungsumschaltung und Signalwegwahl in Kommunikationsgeräten.

6. Sicherheitstechnik: Alarmanlagen und Zutrittskontrollgeräte.

7. Hausautomation: Steuerung verschiedener Haushaltsgeräte und Gebäudefunktionen.

Das passende bistabile Relais auswählen#

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl folgende Kriterien.

1. Spulenausführung: Wählen Sie eine oder zwei Spulen passend zur Ansteuerschaltung.

2. Kontaktanordnung: Legen Sie die erforderliche Zahl und Art der Kontakte fest, etwa Schließer, Öffner oder Wechsler.

3. Spannungs- und Strombelastbarkeit: Prüfen Sie die Eignung für die erforderlichen Spannungen und Ströme.

4. Schaltgeschwindigkeit: Bei schnellen Schaltvorgängen sind Ansprech- und Rücksetzzeiten zu berücksichtigen.

5. Umgebung: Gleichen Sie Temperaturbereich, Feuchtigkeit und Vibrationsfestigkeit mit den Einsatzbedingungen ab.

6. Abmessungen und Montage: Das Relais muss zum verfügbaren Bauraum und zur vorgesehenen Befestigung passen.

Einbau und Verdrahtung#

Ein geeigneter Einbau und eine korrekte Verdrahtung sind Voraussetzung für zuverlässiges Schalten.

1. Versorgung: Stellen Sie die spezifizierte Spulenspannung, Polarität und Mindestimpulsdauer zum Setzen und Rücksetzen bereit. Beachten Sie auch eine gegebenenfalls begrenzte maximale Impulsdauer oder Einschaltdauer.

2. Polarität: Bei Einspulenrelais muss die Polarität des Steuersignals zum gewünschten Setz- oder Rücksetzvorgang passen3.

3. Spulenschutz: Verwenden Sie eine zum Relais und Treiber passende Überspannungsbegrenzung. Eine einzelne gewöhnliche Freilaufdiode direkt parallel zur Spule eines umgepolten Einspulenrelais würde bei einer Ansteuerrichtung leiten. Beachten Sie die vom Hersteller empfohlene Schutzschaltung für bidirektionale Ansteuerung.

4. Kontaktschutz: Sehen Sie geeignete Schutzbeschaltungen vor, insbesondere beim Schalten induktiver Lasten.

5. Masseführung und Erdung: Eine geeignete Rückstromführung und Erdung helfen, elektromagnetische Störungen zu begrenzen.

Wartung und Fehlersuche#

Im Betrieb können sich mit der Zeit Fehler an Kontakten, Spulen oder Mechanik zeigen.

1. Kontaktverschleiß: Prüfen Sie Schaltverhalten und Kontaktwiderstand nach dem Herstellerverfahren. Öffnen Sie ein abgedichtetes Leiterplattenrelais nicht zur routinemäßigen Sichtprüfung; ein defektes Bauteil ist gemäß Vorgabe zu ersetzen.

2. Spulenfehler: Eine Widerstandsmessung im sicher spannungsfreien Zustand kann eine Unterbrechung oder einen Spulenkurzschluss erkennen helfen. Temperatur und parallele Schaltungspfade beeinflussen den Messwert; er allein erlaubt keine Lebensdauerprognose.

3. Mechanische Probleme: Ungewohnte Schaltgeräusche können auf mechanische Störungen hinweisen und sollten untersucht werden.

4. Umgebungsbedingungen: Prüfen Sie, ob Temperatur und Feuchtigkeit innerhalb der spezifizierten Grenzen liegen.

5. Elektrische Prüfung: Testen Sie Setzen und Rücksetzen in angemessenen Abständen, um die korrekte Funktion zu bestätigen.

Entwicklungstrends#

Weitere Entwicklungen können sich insbesondere auf folgende Bereiche konzentrieren.

1. Miniaturisierung: Kleinere Bauformen bei gleichbleibender oder verbesserter Leistung.

2. Energieeffizienz: Geringerer Energiebedarf für Setz- und Rücksetzimpulse.

3. IoT-Integration: Funktionen zur Fernüberwachung und Fernsteuerung.

4. Höhere Lebensdauer: Neue Werkstoffe und Konstruktionen zur Verbesserung der Haltbarkeit.

5. Hybride Lösungen: Kombination elektromechanischer und halbleiterbasierter Schalttechnologien.

Fazit#

Bistabile Relais sind vielseitige, energieeffiziente Bauteile für elektrische und elektronische Systeme. Ihre Fähigkeit, die Kontaktstellung ohne dauerhafte Spulenversorgung zu halten, ist von Fahrzeugfunktionen bis zu intelligenten Stromnetzen nützlich.

 

Wer Bauarten, Funktionsweise und Auswahlkriterien kennt, kann Relais und Ansteuerung gezielt auf die eigene Anwendung abstimmen.