Ratgeber
Speicherprogrammierbare Steuerungen – kurz SPS – verfügen über Eingänge für Sensoren und Ausgänge für Aktoren. im Allgemeinen benötigen sie zum Betrieb Gleichstrom mit 12 oder 24 Volt Spannung. Häufig arbeiten aber sowohl sensorische Peripheriegräte wie Druck- oder Positionsschalter als auch Aktoren wie Stellglieder oder Motoren mit Wechselstrom. Außerdem ist eine galvanische Trennung der Stromkreise nötig, um Fehlfunktionen vorzubeugen. Für die reibungslose Kommunikation der Komponenten sind deshalb spezielle Schnittstellen erforderlich – die Koppelrelais. Erfahren Sie in unserem Ratgeber, wie diese Bauelemente funktionieren und wie sie aufgebaut sind.
Im Prinzip gleicht ein Koppelrelais einem normalen elektromagnetischen Relais: Die traditionelle Form verwendet einen Elektromagneten, um Kontakte zu schließen, zu öffnen oder zu wechseln. Entsprechend bezeichnet man sie als Schließer, Öffner oder Wechsler. Wird die Spule von Strom durchflossen, zieht das entstehende magnetische Feld einen Anker an, der wiederum Kontaktfedern betätigt und dabei rein mechanisch einen anderen Stromkreis beziehungsweise mehrere Stromkreis aktiviert beziehungsweise deaktiviert. Alle Kreise sind galvanisch voneinander getrennt, das heißt, es gibt keine gemeinsamen elektrischen Potenziale.
Koppelrelais stehen in vielen verschiedenen Versionen zur Verfügung. Einfache Typen verfügen über die gleichen Komponenten wie ein klassisches elektromagnetisches Relais und funktionieren auch entsprechend. Sicherer gegenüber Fehlfunktionen sind sogenannte zwangsgeführte Koppelrelais. Durch die Zwangsführung gemäß IEC 60947-5-1 beziehungsweise IEC 61810-3 sind die Kontakte der eingebauten Relais mechanisch so miteinander verbunden, dass die Schließer- und Öffner- oder Wechslerkontakte niemals gleichzeitig arbeiten. Auf diese Weise lässt sich ein Öffnungsfehler zuverlässig erkennen, maximale Sicherheit ist so gewährleistet.
Eine nicht unwesentliche Rolle hinsichtlich der Funktionssicherheit ist – neben der Höhe der Last und der Anzahl der Zyklen – auch das Material der Kontakte. Zu empfehlen sind hartvergoldetes Nickel (AgNi + Au), Neusilber (AgNi), Silbercadmiumoxid (AgCdO) und Silberzinnoxid (AgSnO2).
Immer häufiger finden sich vor allem in komplexen Steuerungen elektronische Relais auf Halbleiterbasis. Sie kommen komplett ohne bewegliche Teile aus und besitzen daher eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer – sofern die maximalen Werte für Spannung und Strom nicht überschritten werden. Darüber hinaus bieten diese Solid-State-Relays oder SSR eine erhöhte Kontaktsicherheit, leises und kurzes Schalten sowie eine hohe Gleichstrom-Schaltleistung. Dank der verwendeten Optokoppler-Technologie ist eine sichere Trennung auch mit anderen Koppelrelais oder Halbleiterausgängen möglich.
Bei Optokopplern handelt es sich um Halbleiterbauelemente zur Übertragung eines elektrischen Signals zwischen zwei isolierten Schaltkreisen. Ein Optokoppler besteht aus zwei Teilen: einer LED, die Infrarotlicht aussendet, und einem lichtempfindlichen Bauteil zur Detektion des Lichts. Der Eingangsschaltkreis nimmt das eingehende Signal auf und verwendet es, um die LED einzuschalten. Das geschieht unabhängig davon, ob es sich um ein Wechsel- oder Gleichstromsignal handelt.
Es gibt vier Konfigurationen von Optokopplern. Der Unterschied liegt im verwendeten lichtempfindlichen Bauteil. Fototransistoren beziehungsweise Foto-Darlington-Schaltungen sind typischerweise in Gleichstromkreisen im Einsatz, während Foto-TRIACs in der Steuerung von Wechselstromkreisen zu finden sind.
Die Bauform von Koppelrelais ist nahezu durchgängig an die Schaltschrankmontage auf Tragschienen angepasst. Sie sind im Allgemeinen sehr schmal, sodass mehrere Relais nebeneinander eingesetzt werden können. Als Anschlusselement sind Schraubklemmen üblich, die Kontakte befinden sich an der oberern oder unteren Seite des Gehäuses, eine Verdrahtung zum Beispiel mit Schützen oder Zeitschaltern ist daher problemlos möglich. Statt Schraubklemmen verwenden einige Typen Push-In-Klemmen zur werkzeuglosen Kontaktierung.
Neben der grundsätzlichen Entscheidung für rein elektromagnetische oder elektronische Relais spielen die Anschlusswerte eine entscheidende Rolle. Wichtig sind vor allem die maximale Schaltspannung und der maximale Schaltstrom, deren Werte sollten der üblichen Last zuzüglich einem relativ großen Spielraum angepasst sein. Die Bandbreite der Spannungen reicht von 110 Volt Gleichstrom bis zu 400 Volt Wechselstrom. Der maximale Schaltstrom kann 5 bis 30 Ampere betragen. Bei den eingangsseitigen Nennspannungen liegen die typischen Werte zwischen 5 Volt Gleichstrom und 380 Volt Wechselstrom, wobei die am häufigsten eingesetzten Spannungen 12 oder 24 Volt betragen.
Je nach Anwendungsfall ist auch die Kontaktart ein wesentliches Auswahlkriterium. Die meisten Relais sind als Wechsler für bis zu 4 Kreisen konstruiert, es gibt aber auch Schließer und Öffner.
Wie eingangs bereits erwähnt, kommt fast keine SPS ohne Koppelrelais aus. Zu finden sind sie hauptsächlich in der Industrie und in Infrastrukturanwendungen wie der Gebäudeautomatisierung. Hier sorgen sie für die Verbindung von Sensoren mit den Eingängen und den Stellgliedern mit den Ausgängen. Diese Relais eigenen sich aber auch zur Spannungsumwandlung mit galvanischer Trennung der Stromkreise, zum Beispiel zur Steuerung eines 230-Volt-Wechselstromanschlusses über einen 24-Volt-Impulsgeber.
Müssen Koppelrelais zum Test oder zur Wartung der Steuerung immer aus- und eingebaut werden?
Nein, es sind auch Relais mit Tastern und Schaltern verfügbar. Ihre Funktion lässt sich sich schnell und einfach per Fingerdruck deaktivieren.
Lassen sich diese Relais auch zur Signalverstärkung einsetzen?
Die Verstärkerfunktion ist ein wesentlicher Vorteil bei sämtlichen Bauformen. So kann beispielsweise eine Sensor-Einheit mit nur wenigen Volt Signalspannung einen leistungsfähigen Drehstrommotor gefahrlos ein- und ausschalten. Es handelt sich dabei zwar nicht um eine echte Verstärkung des Signals, aber dank der galvanischen Trennung der beiden Stromkreise ist die Steuerung von großen Lasten auch mit kleinen Spannungen möglich.
In welchen Temperaturbereichen sind Koppelrelais einsetzbar?
Die weitaus meisten Relais vertragen Umgebungstemperaturen von etwa minus 20 Grad Celsius bis plus 70 Grad Celsius. Einige Typen besitzen sogar noch einen größeren Temperaturumfang.