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Relais

Das Video zum Kapitel


Mechanischer Schalter

Mechanischer Schalter Abbildung 1:
Ein Schalter ist ein elektronisches oder elektromechanisches Bauteil, das den Stromfluss durch einen elektrischen Stromkreis unterbrechen kann. Ein elektromechanischer Schalter besteht aus mindestens zwei elektrischen Kontakten, die sich entweder im Zustand "offen", d. h. die Kontakte sind voneinander getrennt, oder im Zustand "geschlossen" befinden, d.h. die Kontakte berühren einander. Idealerweise ist der Widerstand im Zustand "offen" unendlich groß, während dieser im Zustand "geschlossen" Null wird und die Anstiegs- beziehungsweise Abfallzeit während der Änderung des Schaltzustandes ist ebenfalls Null. Wie immer ergeben sich bei realen Bauteilen leichte Abweichungen vom Idealzustand:
Der Widerstand eines realen Schalters im Zustand "offen" ist normalerweise sehr nahe am Idealzustand, da der Widerstand von Luft etwa 1016Ωm beträgt.
Je kleiner die Abmessungen der Kontakte, um so größer ist deren Widerstand. Die von einem geschlossenen Schalter umgesetzte elektrische Leistung hängt von dessen Widerstand und dem durch das Bauteil fließenden Strom ab. Anstelle der maximalen Leistung wird in den Datenblättern zu Schaltern üblicherweise der maximal zulässige Strom aufgelistet. Da Metalle an ihren Oberflächen isolierende Oxide in als Korrosion bezeichneten Prozessen bilden, kann sich der Widerstand eines geschlossenen Schalters im Laufe der Zeit ändern. Bisweilen werden die Kontakte daher mit Edelmetallen beschichtet, um die Oxidation der Oberflächen zu verhindern.


Schaltsymbol Ein/Aus Schalter Abbildung 2:
Die einfachste Form eines Schalters ist der Ein-Aus Schalter. Die beiden Kontakte können entweder miteinander verbunden oder voneinander getrennt sein.
Diesen Schalter bezeichnet man im Englischen als Single-Pole, Single-Throw (SPST), da ein separater Stromkreis gesteuert und in diesem eine leitfähige Verbindung erstellt werden kann.

Schaltsymbol DPST Schalter Abbildung 3:
Zwei oder mehr Schalter können durch einen einzigen Mechanismus angesteuert werden. Die Zeichnung zeigt einen Double Pole, Single Throw (DPST) Typen, da zwei getrennte Schaltkreise durch das Erstellen oder Unterbrechen jeweils einer leitfähigen Verbindung gesteuert werden können.


Schaltsymbol Wechselschalter Abbildung 4:
Drei Anschlüsse sind für die einfachste Form eines Wechselschalters erforderlich. Der gemeinsame Anschluss (C, Engl. common) ist dabei immer entweder mit L1 oder L2 verbunden. Diesen Typen bezeichnet man als Single Pole, Double Throw (SPDT), da ein Schaltkreis durch die Bildung zweier unterschiedlicher Verbindungen gesteuert werden kann. Bisweilen wird auch die Englische Bezeichnung Single Pole Changeover (SPCO) verwendet.
Zwei oder mehr Wechselschalter können durch einen Mechanismus angesteuert werden. Während des Überganges wird ein Pfad normalerweise unterbrochen, bevor der andere Pfad geschlossen wird, was im Englischen als break-before-making (BBM), also unterbrechen vor dem Erstellen oder als non-shorting, also nicht brückend bezeichnet wird. Sind beim Übergang kurzzeitig beide Pfade miteinander verbunden, so bezeichnet man den Schalter als brückend, im Englischen als make-before-break (MBB) oder shorting.

Schaltsymbol Wechselschalter SPFT
Abbildung 5:
Der gemeinsame Anschluss eines einzelnen Wechselschalters kann mit mehr als nur zwei weiteren Kontakten verbunden werden. Die Zeichnung zeigt einen Single Pole, Four Throw Schalter.


Der momentane Zustand eines Schalters kann stabil oder instabil sein. Ein Taster fällt in seine Ausgangslage zurück, sobald dieser losgelassen wird. Die Kontakte eines Tasters können entweder geöffnet sein und durch das Drücken geschlossen werden (diesen Typ bezeichnet man als "Schließer", im Englischen als "push-to-make"), oder diese sind normalerweise geschlossen und werden beim Betätigen geöffnet (diesen Typ bezeichnet man als Öffner, im Englischen als "push-to-break"). Ein bistabiler Kippschalter besitzt üblicherweise zwei stabile Schaltzustände. Nach dem Betätigen verharrt dieser in seiner Position, bis der Schalter erneut betätigt wird.

Prellen

Oszillogramm Prellen
Abbildung 6:
Die Schaltkontakte bestehen üblicherweise aus federnden Metallen. Verursacht durch die Elastizität der Materialien prallen die Kontakte beim Schließen eines Schalters mehrfach wieder voneinander ab, bevor diese verbunden bleiben. Als Folge dieses Prellens fließt im Verlauf des Vorgangs ein gepulster Strom durch den Schalter, anstelle eines sauberen Übergangs von Null hin zum zum Maximalstrom.
Werden mechanische Schalter in digitalen Schaltkreisen verwendet, so kann das Prellen als mehrfache Betätigung des Schalters interpretiert werden. Ein Tiefpass wird daher oft verwendet, um die Mehrfachpulse mechanischer Schalter zu unterdrücken.

Unterdücken von Prellen mittels SR-Flipflop
Abbildung 7:
Ein Wechselschalter in Kombination mit einem bistabilen Kippglied kann ebenfalls verwendet werden, um das Prellen zu unterdrücken. Die Schaltung ist zwar deutlich komplexer als ein Tiefpass, dafür ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals am Flipflop deutlich höher.

Lichtbogen

Lichtbogen
Abbildung 8:
Ist die zu schaltende elektrische Leistung ausreichend hoch, so kann sich beim Öffnen eines Schalters an den Kontakten ein Lichtbogen bilden. Je höher die anliegende Spannung und je geringer der Abstand der Kontakte zueinander, um so größer ist das elektrische Feld und um so mehr Luftmoleküle werden in dem Zwischenraum ionisiert und von einem zum anderen Kontakt beschleunigt. Die beschleunigten Ionen können durch Zusammenstöße weitere Luftmoleküle aufbrechen (wodurch zusätzliche Ionen erzeugt werden) oder die Luft im Zwischenraum erhitzen. Der elektrische Widerstand des so erzeugten Plasmas ist klein, weshalb auch dann der Stromfluss durch das Plasma aufrecht erhalten bleibt, wenn sich die Kontakte voneinander entfernen. Erst wenn der Abstand ausreichend groß geworden ist, fällt das Plasma auf Grund des geringer gewordenen elektrischen Feldes und der damit geringer werdenden Anzahl an Ionen in sich zusammen. Auch wenn der Funke nur für eine sehr kurze Zeitspanne zu beobachten ist, müssen die zerstörenden Effekte durch die sehr hohe Temperatur des Plasmas berücksichtigt werden. Ein Lichtbogen kann auch beim Schließen eines Schalters ausgebildet werden, während sich die Kontakte einander nähern und die Spannung ausreichend groß ist. Bedenkt man den Effekt des Prellens, so öffnet sich ein Schalter beim Schließen mehrfach hintereinander, was ebenfalls die Ausbildung eines Lichtbogens bewirkt.
Durch Parallelschalten eines RC-Gliedes zu den Kontakten, kann die Funkenbildung unterdrückt werden.

Reed Kontakt

Reed-Kontakt
Abbildung 9:
Bestehen die Kontakte eines Schalters aus einem ferromagnetischen Material, so kann ein Schalter auch durch Anlegen eines Magnetfeldes betätigt werden. Ein Reed Kontakt besteht aus einem Paar magnetisierbarer, elastischer Metallblättchen, die sich in einem hermetisch abgeschlossenen Glasröhrchen befinden. Die Kontakte können als Schließer ausgeführt sein und sich bei Anlegen eines Magnetfeldes schließen, oder als Öffner, d.h im Normalzustand sind die Kontakte geschlossen und diese trennen sich in Anwesenheit eines ausreichend starken Magnetfeldes. Wird ein Magnet in die Nähe eines normalerweise offenen Reedschalters gebracht, so schließen sich die Kontakte und ein Strom fließt durch das Bauteil. Wird der Magnet wieder entfernt, so bewirkt die Elastizität der Metallblättchen, dass die Kontakte wieder voneinander getrennt werden, der Schalter sich also wieder öffnet. Da der Reedschalter gegenüber der Umgebungsluft hermetisch abgedichtet ist, sind die Kontakte vor Korrosion geschützt und das Bauteil ist für den Gebrauch in explosionsgefährdeten Umgebungen geeignet.

Gleichspannungsrelais

Anstelle eines Permanentmagneten kann auch ein Elektromagnet einen Reedschalter betätigen, womit ein Reed Relais entsteht. Neben einem Reedkontakt können auch andere Schaltmechanismen durch eine Elektrospule ausgelöst werden.

Animierte Zeichnung Gleichspannungsrelais
Abbildung 10: (Animation starten)
Üblicherweise ist der Draht der Spule um einen Schenkel eines U-förmigen Kerns aus Weicheisen gewickelt, der einen niedrigen Widerstand für den magnetischen Fluss besitzt. Ein beweglicher Anker, an dem sich ein oder mehrere Kontakte befinden, ist durch ein elastisches, leitfähiges Material am oberen Ende des U-förmigen Kernes befestigt. Fließt kein Strom durch die Spule, so ist ein Luftspalt an einem Ende des Ankers vorhanden und die Kontakte an dem hier gezeigten Relais sind offen. Es bestehen zwei elektrische Schaltkreise, die voneinander komplett isoliert sind: Der erste Kreis, den man auch als Steuerstromkreis bezeichnet, verläuft durch die Spule und der zweite durch die an dem mechanischen Schalter angeschlossene Last, weshalb dieser Laststromkreis genannt wird. Fließt ein Gleichstrom durch den Steuerstromkreis, so erzeugt die Spule ein Magnetfeld, das den Anker anzieht und durch die Bewegung dieses Hebels wird der Schalter des Laststromkreises geschlossen. Die Polarität der angelegten Gleichspannung und somit die Richtung des durch die Spule fließenden Stromes ist nicht entscheidend. Durch die Spule wird immer eine anziehende Kraft auf den Anker ausgeübt. Zum Start der Animation hier klicken.
Wird der Strom durch die Spule abgeschaltet, so bricht das Magnetfeld zusammen und der Anker wird durch die Spannung der Feder wieder in seine Ausgangslage gebracht, womit sich der Schalter öffnet.

Wechselspannungsrelais

Animierte Zeichnung Wechselspannungsrelais
Abbildung 11: (Animation starten)
Der Strom aus der Steckdose wechselt 100 mal in der Sekunde seine Richtung. Wird die Spule eines Gleichspannungsrelais an eine 50Hz Wechselspannung angeschlossen so kann man das Vibrieren des Ankers hören und bei ausreichend hoher Spannung beginnen sich die Schaltkontakte ständig zu öffnen und zu schließen. Das Geräusch bezeichnet man auch als Klappern. Ein Spaltpol, also eine zweite Spule oder ein einfacher Ring, der um eine Hälfte des Kernmaterials gewickelt ist, erhält während des Nulldurchgangs des Wechselstroms einen Teil des magnetischen Feldes aufrecht, womit sichergestellt wird, dass sich der Anker nicht vom Kern löst. Sobald sich der durch den Wechselstrom hervorgerufene magnetische Fluss verringert, wird ein steigender Strom in der zweiten Spule induziert, der den magnetischen Fluss aufrecht erhält, was eine andauernde Magnetisierung des Ankers bewirkt (für Details siehe Kapitel Induktion).


Foto Wechselspannungsrelais, Spaltpol
Abbildung 12:
Das Foto zeigt den durch einen Kupferring gebildeten Spaltpol an einer Hälfte des geschichteten Kerns. Der Anker ist entfernt, um den Blick freizugeben.
Beabsichtigt ihr, ein Gleichspannungsrelais an einer Wechselspannung zu betreiben, so könnt ihr einfach eine Diode in Reihe zu einem der Anschlüsse der Spule oder besser einen Gleichrichter vor diese schalten. Bedenkt, dass der Wechselstromwiderstand einer Spule deutlich größer ist als der Gleichstromwiderstand des gewickelten Drahtes, weshalb die Spannung zur Betätigung des Ankes etwas höher liegt. Umgekehrt muss die Spulenspannung deutlich reduziert werden, wenn ein Wechselspannungsrelais an einer Gleichspannung betrieben wird, was ohne weitere Beschaltung möglich ist.

Elektrische Eigenschaften

Mit steigender Spannung an den Anschlüssen der Spule steigt der Strom durch dieses Bauteil und somit auch die Stärke des magnetischen Feldes. Sobald die magnetische Kraft die mechanische Kraft der Feder übersteigt, bewegt sich der Anker und der Luftspalt des magnetischen Kreises wird geschlossen. Die Schwellspannung, die benötigt wird, um den Anker bewegen zu können, bezeichnet man als Anzugsspannung. Wird die Spulenspannung verringert während der Anker an dem Kern anliegt, so öffnet das Relais sobald die mechanische Kraft der Feder die Magnetkraft der Spule übersteigt. Da die Magnetkraft auf den Anker um so größer ist, je kleiner der Luftspalt, ist diese am größten, wenn der Anker auf dem Kern aufliegt. Die Abfallspannung ist somit deutlich kleiner als die Anzugsspannung, die benötigt wird, um den geöffneten Anker anzuziehen. Weniger als die Hälfte der Anzugsspannung ist üblicherweise ausreichend, um das Relais geschlossen zu halten. Gebräuchliche Spulenspannungen sind 5VDC, 12VDC, 24VDC, 120VAC und 250VAC.
Der durch die Spule fließende Gleichstrom und somit die von diesem Bauteil umgesetzte elektrische Leistung des Steuerstromkreises wird von dem ohmschen Widerstand des Spulendrahtes bestimmt. Der Wechselstromwiderstand hängt von mehreren Parametern wie den Abmessungen der Spule, dem verwendeten Kernmaterial und so weiter ab. Generell ist eine möglichst geringe Leistungsaufnahme erwünscht.
Die Schaltzeit ist die Zeitspanne die vergeht bis ein Relais nach dem Anlegen beziehungsweise Abschalten des Spulenstromes vergeht, bis sich die Änderung auf den Laststromkreis auswirkt. Üblicherweise ist die Rückfallzeit, also die typische Zeit zwischen der Unterbrechung der Spulenspannung und dem Öffnen der Kontakte, verschieden von der Ansprechzeit, da sich die Rückfallspannung von der Anzugsspannung unterscheidet.
Hervorgerufen durch die in dem Magnetfeld gespeicherte Energie wird eine Spannungsspitze induziert, wann immer die Spule des Steuerstromkreises abgeschaltet wird. Wird die Spule mit Gleichspannung betrieben, so kann eine Diode in Sperrrichtung parallel zu diesem Bauteil geschaltet werden, so dass die beim Ausschalten induzierte Spannung über die Diode abfließen kann.

Bistabile Relais

Zu den bistabilen Relais zählen die Haft- und Stromstoßrelais, auch Stromstoßschalter genannt. Der Vorteil dieser Typen liegt darin, dass der Steuerstromkreis nur dann elektrische Energie benötigt, wenn der Schaltzustand geändert werden soll. Weiterhin behalten diese Relais ihren Schaltzustand während eines Stromausfalls bei.

Stromstoßschalter
Abbildung 13: (Animation starten)
Das Foto Zeigt einen Stromstoßschalter, der den Zustand des Schalters am Laststromkreises mit jedem Impuls an der Steuerspule mit Hilfe eines Ratschenmechanismus ändert.


Relais mit Remanenz
Abbildung 14: (Animation starten)
Wird ein Kernmaterial mit hoher Remanenz verwendet, so bleibt eine Restmagnetisierung zurück, auch wenn das Magnetfeld der Spule abgeschaltet wird, wodurch der Anker an dem Kern "kleben" bleibt, wenn der Strom durch den Steuerkreis abgeschaltet wird. Um diese Restmagnetisierung entfernen zu können, muss ein Magnetfeld mit umgekehrter Richtung der Feldlinien erzeugt, also die Polarität der anliegenden Gleichspannung vertauscht werden. Sobald die Spannung an der Spule ausreicht, um das Kernmaterial zu entmagnetisieren, wird der Anker von der Feder in die Stellung "auf" gezogen. Die Spannung in umgekehrter Richtung muss niedriger als die der ursprünglichen Polung sein, da das Kernmaterial ansonsten erneut mit vertauschtem Feldlinienverlauf magnetisiert und der Anker wieder angezogen wird.

Relais mit Permanantmagnet
Abbildung 15: (Animation starten)
Ein anderes Konstruktionsprinzip eines bistabilen Relais basiert auf einem als Anker arbeitenden Dauermagneten. In der animierten Zeichnung ist der Dauermagnet als Wippe auf der Oberseite des Kernmaterials ausgebildet. Der Permanentmagnet "klebt" dabei in Ruhelage entweder am linken oder rechten Ende des Kernmaterials. Der Anker kippt zur jeweils anderen Seite, sobald das Magnetfeld einer der beiden Spulen einen magnetischen Nordpol an der Stelle generiert, an dem der Magnet zur Zeit ruht. Es kann entweder nur eine Spule mit wechselnder Polarität angesteuert werden oder man verbaut wie in der Zeichnung zwei Spulen, an denen je eine Gleichspannung mit unterschiedlicher Polarität anliegt.

Unbekanntes Relais

Relais mit zu hoher Spulenspannung
Abbildung 16:
Bisweilen ist es erforderlich, die Verschaltung der Anschlüsse eines Relais zu ermitteln, da kein Datenblatt zu dem vorhandenen Typ erhältlich ist und die Schutzkappe nicht ohne Beschädigung entfernt werden kann. Üblicherweise ist die Verdrahtung auf dem Gehäuse aufgedruckt, jedoch ist diese bisweilen sehr kryptisch gehalten, verblasst oder einfach nicht vorhanden. Anmerkung: Durch Anwenden der hier geschilderten Vorgehensweise könnt ihr unter Umständen das unbekannte Bauteil oder euer Netzteil zerstören!
Ein Widerstandsmesser ist erforderlich, um die interne Verschaltung untersuchen zu können. Messt den Widerstand aller möglichen Kombinationen zwischen je zwei Kontakten. Der Widerstand zwischen zwei geschlossenen Schaltkontakten is Null, womit diese Verbindungen leicht aufzuspüren sind. Der Widerstand zwischen zwei Kontakten, die intern mit einer Spule verbunden sind, liegt zwischen einigen Ohm und mehreren Kiloohm. Um die Nennspannung der Spule herauszufinden zu können, müssen die entsprechenden Kontakte mit einer Gleichspannungsquelle verbunden werden, beginnend mit 3V, dann 5V, 6V 12V und schließlich 24V. Verbindet ein unbekanntes Bauteil niemals mit einer Spannung über 24V! Bisweilen ist eine Diode aus den oben genannten Gründen parallel zu der Spule geschaltet. Verbindet also eine Glühlampe (12V, 10W) in Reihe zu der Relaisspule, um den Stromfluss zu begrenzen, für den Fall, dass ihr die Diode in Vorwärtsrichtung anschließt! Wechselt die Polarität der Spannung an allen Klemmen die vermutlich mit einer Spule verbunden sind, bevor ihr zur nächst höheren Spannung übergeht, da es sich um ein bistabiles Relais, unter Umständen mit zwei separaten Spulen handeln könnte. Ihr könnt den Schaltvorgang des Ankers spüren und hören, sobald sie Schwellspannung überschritten wird. Habt ihr die Schwellspannung ermittelt, könnt ihr im Folgenden die Funktionalität der übrigen Anschlüsse prüfen, die zu den Schaltkontakten verlaufen sollten. Der Maximalstrom der Schaltkontakte kann nicht ohne Überschreiten des Maximalwertes ermittelt werden, womit das Relais zerstört wird. Vermeidet einfach hohe Schaltströme durch unbekannte Relais, besonders wenn es sich um kleine Bauteile handelt.


Schaltkreise

Schaltsymbole Relais
Abbildung 17:
Die Zeichnung zeigt zwei üblicherweise verwendete Schaltsymbole eines Relais mit einem einfachen Wechselschalter. Bei stromloser Spule sind Kontakt A und C (common) miteinander verbunden.

Schaltkreis mit Relais
Abbildung 18: (Animation starten)
Das ist die einfachste Verwendungsart eines Relais. Der Steuerstromkreis wird durch einen mechanischen Schalter angesteuert und wann immer ein Strom durch die Spule fließt, schließt das Relais den Schalter des Laststromkreises. Es gibt mehrere Vorteile bei der Verwendung eines Relais anstelle einer direkten Schaltung der Last:
Zwischen dem Steuerstromkreis und dem Laststromkreis besteht keinerlei leitende Verbindung.
Selbst hohe Lasten können mit einem kleinen Schalter angesteuert werden.
Wird das Relais mit einem einfachen Schalter durch ein Exemplar mit mehreren Kontaktpaaren ausgetauscht, können mehrere Laststromkreise durch einen einzigen Schalter angesteuert werden.
Zwei dünne Drähte reichen aus, um selbst hohe Lasten über weite Distanzen steuern zu können.

Schalten hoher Last mittels Kaskade
Abbildung 19:
Durch kaskadieren von Relais kann eine hohe Last durch kleine elektrische Leistung angesteuert werden. Hier steuert ein kleiner Taster den Stromkreis eines Relais an, dessen Laststromkreis wiederum den Steuerstromkreis eines Magnetschalters bildet. An dem Laststromkreis des Magnetschelters befindet sich der Elektrostarter eines Verbrennungsmotores. Damit kann durch eine Leistung von 1.8W eine Leistung von über einem Kilowatt angesteuert werden.

Ansteuerung durch elektronische Signale
Abbildung 20:
Wird der Schalter durch einen Transistor ersetzt, so kann das Relais durch elektronische Signale angesteuert werden.

Relais mit Wechselschalter und doppelter Versorgungsspannung
Abbildung 21: (Animation starten)
Ein Relais mit einem einfachen Wechselschalter kann dazu verwendet werden, um die Polarität an einer Last zu ändern, vorausgesetzt man verfügt über eine doppelte Spannungsversorgung.

Relais mit doppeltem Wechselschalter und einfacher Spannungsversorgung
Abbildung 22: (Animation starten)
Eine einfache Spannungsversorgung reicht aus, wenn ein Relais mit zwei Wechselschaltern verwendet wird oder alternativ zwei Relais mit je einem Wechselschalter.

RS Flipflop

RS-Flipflop aus Relais
Abbildung 23:
Schritt 1:
Unter Verwendung zweier Relais, beide mit einem einfachen Schalter, kann ein RS Flipflop erstellt werden. Die Kontakte von Relais Nummer 1 müssen in Ruhelage offen, die von Relais Nummer 2 geschlossen sein.
Im Anfangszustand sind die Spulen beider Relais ausgeschaltet. Das ist einer der beiden stabilen Schaltzustände mit beiden Tastschaltern in ihrer Ruhelage (offen). Es fließt kein Strom durch die Spulen.

RS-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 24:
Schritt 2:
Durch Drücken der "Set"-Taste fließt ein Strom durch C1 und zusätzlich wird eine leitfähige Verbindung durch die Last hergestellt. Beachtet, dass in diesem Zustand des Schaltkreises der gesamte Laststrom durch den Taster fließt. Verwendet ein Relais mit zwei Paar Schaltkontakten, wenn ihr mit dem Flipflop hohe Lasten schalten wollt!

RS-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 25:
Sobald S1 durch das Relais geschlossen wird, entsteht eine zweite leitfähige Verbindung zur Last.

RS-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 26:
Schritt 3:
Wird der "Set"-Taster wieder losgelassen, bleibt der Stromfluss durch C1 auf Grund der leitfähigen Verbindung durch den eigenen Schalter S1 erhalten. Der Schaltzustand des Stromkreises ist stabil und die Last ist mit der Versorgungsspannung verbunden.

RS-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 27:
Schritt 4:
Durch Drücken des "Reset"-Tasters fließt ein Strom durch die Spule von Relais 2...

RS-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 28:
...wodurch S2 geöffnet und die leitfähige Verbindung durch die Spule von Relais 1 unterbrochen wird ...

RS-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 29:
...wodurch schließlich S1 zurück in seine Ruhelage fällt und der Stromfluss durch die Last unterbrochen wird.

RS-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 30: (Animation starten)
Schritt 5:
Loslassen des "Reset"-Tasters unterbricht den Stromfluss durch Relais 2 und sobald S2 zurück in seine Ruhelage (geschlossen) fällt, ist der Ausgangszustand (Schritt 1) wieder erreicht.


RS-Flipflop mit 12V Versorgungsspannung
Abbildung 31:
Der hier zu sehende reale Schaltkreis besteht aus zwei 12V Relais.

T Flipflop

T-Flipflop aus Relais, Schaltkreis
Abbildung 32:
Schritt 1:
Ein weiteres, aus zwei Relais aufgebautes Flipflop, ist das T Flipflop. Relais Nummer 1 (C1) besitzt zwei Ein/Aus-Schalter und Nummer 2 besitzt 2 Wechselschalter.
Im Ausgangszustand ist keine der beiden Relaisspulen stromdurchflossen. Das ist einer der beiden stabilen Zustände des Schaltkreises mit dem Taster in Ruhelage (offen). Es fließt kein Strom durch die Last.

T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 33:
Schritt 2:
Sobald der Taster (B1) gedrückt wird, fließt ein Strom durch die Spule von Relais 1.

T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 34:
Sobald Relais 1 anzieht, werden die Schalter 1.1 und 1.2 geschlossen. Ein zweiter leitfähiger Pfad (Blau) der durch die Spule von Relais Nummer 2 verläuft, wird in der Schaltung geschlossen. Da der Widerstand des neu erstellten Pfades deutlich höher ist als der durch den Taster verlaufenden Pfad, der idealerweise Null Ohm beträgt, fließt (fast) kein Strom durch C2.

T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 35:
Schritt 3:
Mit Loslassen von B1 wird die leitfähige Verbindung durch dieses Bauteil unterbrochen. Die einzige Verbindung zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Versorgungsspannung verläuft durch C1 und C2, die nun in Serie geschaltet sind. Die Spannung an C1 gleicht der an C2. Nun muss die Spannung an C2 die Anzugsspannung des Ankers übersteigen, weshalb die Versorgungsspannung dem Doppelten der nominellen Spulenspannung der Relais entsprechen muss.


T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 36:
Wie weiter oben erklärt, ist die Haltespannung normalerweise deutlich kleiner als die Anzugsspannung. Um die Schaltung mit weniger als der doppelten Spulenspannung betreiben zu können, was auf Dauer zur Beschädigung der Relais während Schritt 2 und 4 führt, kann ein Widerstand parallel zu C1 geschaltet werden. Je niedriger der Widerstand von von R1, um so niedriger der Spannungsabfall an C1, aber um so höher der an C2. Die Versorgungsspannung sollte so nahe wie möglich an der nominellen Spulenspannung liegen und der Wert von R1 muss zwei Bedingungen erfüllen: Die Spannung an C1 muss oberhalb der Rückfallspannung bleiben und der an C2 muss über der Anzugsspannung liegen.

T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 37:
Die Schalter S2.1 und 2.2 wechseln von 'a' nach 'b'.
Das ist der zweite stabile Zustand des Schaltkreises mit losgelassenem Taster. Jetzt liegt die halbe Versorgungsspannung an jeder der beiden Spulen an und die Last ist durch S1.2 eingeschaltet.

T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 38:
Schritt 4:
Sobald der Taster erneut gedrückt wird, entsteht ein zweiter leitfähiger Pfad durch die Schalter S2.2 und S2.1. Nun ist der Widerstand des zusätzlichen Pfades nahezu Null, während der durch C1 deutlich höher ausfällt. Die gesamte Versorgungsspannung fällt an C2 ab, während C1 kurzgeschlossen ist...

T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 39:
...wodurch S1.1 und S1.2 geöffnet werden.

T-Flipflop aus Relais, Funktionsweise
Abbildung 40:
Sobald der Taster losgelassen wird, stoppt der Stromfluss durch C2. Bricht nun das Magnetfeld zusammen, fallen S2.1 und S2.2 zurück in ihre Ruhelage, womit der Ausgangszustand des Schaltkreises erreicht wird (Schritt 1).
Die Verwendung eines Stromstoßschalters stell die gleiche Funktionalität bereit, jedoch birgt der Bau des T-Flipflops die größere Herausforderung. Es gibt zwei wesentliche Unterschiede: Als Erstes fällt das T-Flipflop bei einem Stromausfall in seinen Ausgangszustand zurück, während der Stromstoßschalter seinen Zustand beibehält. Weiterhin wird keine elektrische Leistung benötigt, um den Schaltzustand eines Stromstoßschalters aufrecht zu erhalten, während durch beide Relais des T-Flipflops ein Strom fließt, wann immer die Last während Schritt 3 eingeschaltet ist.

T-Flipflop aus Relais, realer Schaltkreis
Abbildung 41:
Die hier zu sehende praktische Schaltung arbeitet mit zwei 12V-Relais. Unter Verwendung eines 180Ohm Widerstands und einer LED, die parallel zu der Spule von Relais 1 geschaltet sind, reicht eine Versorgungsspannung von 12V aus, um das Toggle Flipflop betreiben zu können.

Relais-Uhr

Relais-Uhr
Abbildung 42:
Wie im Kapitel zu Computerschaltkreisen gezeigt, kann aus mehreren hintereinandergeschalteten T-Flipflops ein Zähler aufgebaut werden. Da es sich hier um vorderflankengesteuerte T-Flipflops handelt, ergibt sich ein Rückwärtszähler. Gezählt werden die Impulse eines Multivibrators, der aus einem durch ein Relais angesteuertes RS-Flipflop gebildet wird. Das Ausgangssignal des Flipflops wird auf das ansteuernde Relais zurückgegeben. Um die Schaltfrequenz heruntersetzen zu können, wird ein Pendel am Anker des ansteuernden Relais befestigt. Das Ergebnis ist eine rückwärts laufende Uhr.

Schaltplan Relais-Uhr
Abbildung 43:
Der Schaltplan zur Relais-Uhr:
Für den astabilen Multivibrator wird ein Relais mit 2 Ein/Aus Schaltern (Stellung AUS in Ruhelage), ein Relais mit einem EIN/Aus Schalter (Stellung EIN in Ruhelage) und ein Relais mit Wechselschalter benötigt. Alternativ können auch drei Relais mit je zwei Wechselschaltern verwendet werden (Vorteil: gleiche elektrische Eigenschaften).
Für je ein T-Flipflop werden zwei Relais mit je zwei Wechselschaltern und ein Widerstand benötigt. Die LED ist optional.


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