Relais

Een relais is een door een elektromagneet bediende schakelaar. Het is een eenvoudige en veelgebruikte component in elektrische en elektronische schakelingen.
Een relais bestaat uit de volgende onderdelen:

• elektromagneet
• anker
• schakelcontact of omschakelcontact, afhankelijk van het type relais
• veermechanisme

Afbeelding 1

Een relais heeft minimaal één moedercontact, aangegeven met C, dit is de afkorting van 'Common' (ofwel 'gemeenschappelijk) en één schakelcontact, aangegeven met 'NO', dit is de afkorting van 'Normally Open' (ofwel in ruststand geopend). De meeste relais zijn voorzien van omschakelcontacten. Bij het verbreekcontact staat dan 'NC', dit is de afkorting van Normally Closed (ofwel in rusttoestand gesloten). In afbeeldingen 4 en 5 (zie onder) is weergegeven hoe dit in schema's wordt aangegeven.

Hoe werkt een relais?

De elektromagneet in het relais bestaat uit een stuk weekijzer (A) met daaromheen een groot aantal windingen van dun gelakt koperdraad (B), zie tekening 34. De lak om het koperdraad voorkomt dat de windingen onderling kortsluiting maken. Wanneer op de aansluitdraden van de spoel (S) een voldoende hoge spanning wordt gezet, ontstaat in- en om de spoel een magnetisch veld. Dit veld zal het weekijzer in/om de spoel magnetiseren. Door de magnetische trekkracht wordt het weekijzeren anker door de elektromagneet aangetrokken. Zodra er een voldoende hoge spanning aanwezig is over de spoel, zal het relais dus 'aantrekken' (inschakelen of omschakelen afhankelijk van het type relais). Zodra de stuurspanning wegvalt, zal het magnetisch veld wegvallen en het relais in de ruststand terugspringen door het veermechanisme (V). Weekijzer is een oude benaming voor niet gehard ijzer of staal.

Gelijkspanningrelais
Afbeedling 2

Bij een gelijkspanningrelais (zie tekening 5) veroorzaakt de stroom in de kern (het weekijzeren gedeelte waar de spoel omheen gewikkeld is) een (magnetische) Noord- en Zuidpool. In het weekijzeren anker, waaraan de contacten van de schakelaar bevestigd zijn, ontstaan ook een Noord- en Zuidpool, zodat het anker wordt aangetrokken door de kern met spoel.
Het maakt normaliter bij gelijkspanningsrelais niet uit hoe u de spoeldraden aansluit, tenzij er op het relais een + en - aangegeven zijn bij de spoelaansluitingen. Ook wanneer er over de spoel een blusdiode gemonteerd is, dient u de plus van de voedingsspanning op die aansluiting te monteren waar de kathodezijde (de streep) van de diode aan gesloten is. Bij twijfel is het raadzaam om de datasheet van de fabrikant te raadplegen.

Spoelvermogen

Sommige fabrikanten geven in hun datasheet aan welk maximale spoelvermogen het relais kan verdragen. Vaak staat er dan bijvoorbeeld: maximale spoelvermogen 130% van het nominale vermogen. Wanneer dan een relais ontworpen is voor nominaal 12 volt gelijkspanning en de spoelweerstand bijv. 270 Ω mag er maximaal 13,7 volt op de spoelaansluitingen staan volgens de onderstaande berekeningen:
UNom = 12 volt R = 270 ohm.
De opgenomen stroom van de spoel berekenen we met de formule I = U / R
De stroomsterkte I = is dan 12 / 270 = 0,04444 ampère. Deze waarde vermenigvuldigen we met 1000 om de stroomsterkte in milliampère te krijgen. De stroomsterkte door de spoel bedraagt: 44,44 milliampère.
Nu de spoelstroom bekend is, kunt u het 'spoelvermogen' (P) berekenen met de formule P = U x I. P is dan 12 X 44,44 = 533 milliwatt ofwel 0,533 watt.
Nu we het vermogen (P) weten, kunnen we bepalen wat de maximaal toegestane spoelspanning is. Dat kunt u op twee manieren doen:

• We nemen het nominale vermogen en vermenigvuldigen dat met 1,3 (=130%). We krijgen dan 0,533 x 1,3 = 0,693 watt. Daarna vermenigvuldigen we die waarde met de spoelweerstand (R): 0,693 x 270 = 187,11. Wanneer we hiervan de wortel nemen, weten we de maximaal toelaatbare spoelspanning. De wortel (√) van 187,11 = 13,68. Dus de maximaal toelaatbare spoelspanning is 13,7 volt afgerond.
• We kunnen ook de formule P = U² / R gebruiken. Wanneer het spoelvermogen P een factor 1,3 zo groot is, betekent dit dat U² (Ukwadraat) ook een factor 1,3 zo groot wordt en dat U dan ook √(1,3) keer zo groot wordt. √(1,3) = 1,14 (afgerond). De maximaal toelaatbare spoelspanning volgt dan uit: 12 × 1,14 = 13,68 = 13,7 volt afgerond.

Wisselspanningrelais
Afbeelding 3

Bij een wisselspanningrelais (zie tekening 6) gebeurt precies hetzelfde. Alleen wisselt hier de polariteit van de spanning 50× per seconde (50 herz.). Daardoor trilt het weekijzeren anker 100 keer per seconde, aangezien het zowel op het positieve, als het negatieve deel van de sinus wordt aangetrokken. Bij de polariteitwisseling ontstaat ook even een nuldoorgang van de stroom. Op dat moment is de magnetische aantrekkingskracht even weg en zou het anker meteen weer afvallen. Om dat te voorkomen is een koperen plaatje in de vorm van een gesloten winding (zie fig. A op tekening 3) op de kern aangebracht. Wanneer het magnetisch veld het grootst is, gaat er in dat koper een kortsluitstroom lopen. Die stroom wekt weer een klein magnetisch veld op, dat zijn eigen ontstaan tegenwerkt. Gevolg hiervan is, dat er een beetje stroom loopt door het koperen plaatje bovenaan de kern als de stroom van de spoel door nul gaat. De aantrekkingskracht van de grote spoel is even nul, maar op dat moment is er wel een aantrekkingskracht welke veroorzaakt wordt door de stroom door het koperen plaatje. Hierdoor valt het anker niet af en ontstaat er geen trilling van het anker. Bij een wisselspanningrelais is de kern vaak opgebouwd uit stripjes weekijzer. Dit wordt gedaan om wervelstromen in de kern te voorkomen.

Aantrekspanning en houdspanning

Een relais heeft een aantrekspanning en een houdspanning. De aantrekspanning is de spanning waarbij het relais volledig aantrekt (of omklapt). Voor het aantrekken van het anker is veel meer elektrische energie nodig dan voor het vasthouden van het anker tegen de kern. Dit komt doordat er een magnetische weerstand van de luchtspleet én de spanning van de trekveer overwonnen moeten worden. De houdspanning, dit is de spanning waarbij het relais nog net niet terugveert en het contact niet verbroken wordt, is lager.

Aanduidingen op een relais

Op een relais wordt vaak aangegeven wat de spoelspanning is, voor welke soort stroom het bedoeld is (AC of DC), en wat het maximaal te schakelen vermogen (spanning × stroom) is. Staat er niets aangegeven, dan kunt u vaak aan de hand van het typenummer op het relais bij de fabrikant het datasheet (gegevensblad) bekijken. Op het relais staat bijvoorbeeld: 12V~1A230V~ of 12VAC1A230V~, dit betekent dat de spoel ontworpen is voor 12 volt wisselspanning (AC), en de contacten maximaal één ampère mogen schakelen bij 230 volt AC. 24V=2A230V~ of 24VDC2A230V~, dit betekent dat de spoel ontworpen is voor 24 volt gelijkspanning (DC), en de contacten maximaal twee ampère mogen schakelen bij 230 volt AC. Staat er bij de gegevens '1 × om', ('om' is de afkorting van omschakelen) dan betekent dit dat er één contact in het relais zit dat omschakelt. Staat er bij de gegevens '2 × om', dan betekent dit dat er twee contacten in het relais zitten die gelijktijdig omschakelen, enz.
Ook kan, inplaats van de aanduiding '1 × om' of '2 × om', de Engelse methode gebruikt zijn. Dan geeft de fabrikant met een code aan wat voor soort relais het is, zoals:

• SPST 'Single Pole Single Throw' ofwel: één maak- of verbreekcontact
• DPDT 'Double Pole Double Throw' ofwel: twee omschakelcontacten
• 4PST 'Four Pole Single Throw' ofwel: vier maak- of verbreekcontacten
• 4PDT 'Four Pole Double Throw' ofwel: vier omschakelcontacten

Er bestaat nog een andere codering:

• SPNO 'Single Pole Normally Open' ofwel: één maakcontact
• DPNC 'Single Pole Normally Closed' ofwel: twee verbreekcontacten
• SPCO 'Single Pole Change Over' ofwel: één wisselcontact
• 4PCO 'Four Pole Change Over' ofwel: vier wisselcontacten

Soorten relais

Monostabiel relais

Afbeelding 4

De standaarduitvoering is een monostabiel relais. Dit is een type relais dat tijdens de bekrachtiging in één stand wordt gehouden, maar zonder bekrachtiging (dus zodra de stuurspanning wegvalt) in de ruststand terugspringt door het veermechanisme.

Bistabiel relais
Afbeelding 5

Een bistabiel relais is een relais met twee standen, dat na de bekrachtiging in de geschakelde stand blijft. Daardoor blijven de contacten staan in de stand waarin ze geschakeld worden, ook na het uitschakelen van de stuurspanning. Een bistabiel relais is voorzien van twee spoelen, de 'set'- en de 'reset'-spoel. Het vasthouden van het anker in één van de twee posities kan mechanisch of m.b.v. een kleine permanente magneet geschieden.

Wanneer worden relais gebruikt?

Relais worden overal ingezet op die plaatsen waar een hoge stroom geschakeld moet worden. Om de volgende redenen wordt gebruik gemaakt van een relais i.p.v. een schakelaar:

• een hoge stroomsterkte vereist zeer dikke draden van- en naar de schakelaar
• de hoge elektrische stromen verkorten de levensduur van een gewone schakelaar aanzienlijk;
• een kleine schakelaar kan eenvoudiger ergens geplaatst worden (betere ruimtebenutting);
• beperken van spanningsverliezen door lange bedrading.

Wanneer u een relais gebruikt met lage spoelspanning (12 of 24 volt), volstaan dunne draden (0,14 mm²