Relaistypen en werkingsprincipe

Een relais is een elektrisch bediende schakelaar die wordt gebruikt om circuits te isoleren, tussen circuits te schakelen en een circuit met hoog vermogen te besturen met een signaal met laag vermogen. Relais worden gecategoriseerd op basis van hun ontwerp en functionaliteit, zoals elektromechanische relais, solid-state relais en reed-relais. Dit artikel verkent de verschillende soorten relais, hun werkingsprincipes en bespreekt hun diverse industriële toepassingen.

Inhoudsopgave

• Algemene terminologie
• Gebaseerd op palen en worp
• Gebaseerd op bedieningsprincipes
• Gebaseerd op toepassing
• Gebaseerd op formulieren
• Toepassingen
• FAQs

Algemene terminologie

Er zijn vier soorten aansluitingen in een relais:

• Stuuringang (spoelaansluitingen): Twee ingangsklemmen die het schakelmechanisme regelen.
• Common (COM): Deze klem dient als uitgang voor het relais en is waar één kant van het belastingscircuit is aangesloten. Intern is deze klem verbonden met een van de andere twee klemmen, die varieert afhankelijk van de status van het relais.
• Normaal open: De normaal open (NO) klem is een andere belastingklem op een relais die uitgeschakeld blijft als het relais inactief is. De NO-klem wordt verbonden met de Common-klem (COM) wanneer het relais wordt geactiveerd.
• Normaal gesloten: De normaal gesloten (NC) klem is een extra belastingklem op een relais. Onder normale omstandigheden, zonder stuuringang, houdt deze klem een verbinding met de Common (COM) klem. Wanneer het relais echter wordt geactiveerd, verbreekt de NC-klem de verbinding met de COM-klem en blijft deze open totdat het relais wordt gedeactiveerd.

Lees ons artikel over relaistoepassingen voor meer informatie over de werking en bedrading van industriële relais.

Palen en worp

• Pool: De term 'polen' verwijst naar het aantal afzonderlijke circuits dat het relais kan schakelen of besturen. Elke pool vertegenwoordigt een individuele schakelaar binnen het relais; een enkelpolig relais heeft bijvoorbeeld één schakelaar en kan één circuit aansturen, terwijl een dubbelpolig relais twee schakelaars heeft en twee circuits onafhankelijk van elkaar kan aansturen.
• Werpen: De term 'worp' geeft het aantal posities aan waarmee elke pool verbinding kan maken. Dit beschrijft het aantal uitgangen waarop elke schakelaar kan worden aangesloten. Een enkelvoudig relais heeft bijvoorbeeld één positie per pool, wat betekent dat elke schakelaar op slechts één uitgang kan worden aangesloten. Een dubbelwerprelais daarentegen heeft twee posities per pool, waardoor elke schakelaar op een van de twee uitgangen kan worden aangesloten.

Gebaseerd op palen en worp

Tabel 1: Relaisclassificatie gebaseerd op het aantal polen en worpen in een relais.

Type relais	Beschrijving	Diagram
SPST (Single pole single throw)	Een SPST-relais bestuurt slechts één circuit (enkelpolig). Hij heeft twee standen: aan en uit (enkele worp). Het verbindt of verbreekt het circuit wanneer het wordt omgedraaid.
SPDT (enkelpolig dubbelgegooid)	Een SPDT-relais bestuurt slechts één circuit (enkelpolig). Het heeft twee toestanden; in elke toestand blijft een van de circuits gesloten terwijl de andere open blijft, en deze toestand wordt omgekeerd in de wisseltoestand.
DPST (dubbelpolig enkelvoudig)	De term 'dubbelpolig' geeft aan dat deze de mogelijkheid heeft om twee volledig gescheiden circuits onafhankelijk van elkaar te beheren. Enkele worp' betekent dat elke pool een enkele geleidingspositie heeft.
DPDT (dubbelpolige dubbele worp)	De term 'dubbelpolig' betekent dat hij twee verschillende circuits kan besturen en 'dubbele worp' houdt in dat elke pool in twee verschillende posities kan geleiden.

Gebaseerd op bedieningsprincipes

Relais worden op basis van hun werkingsprincipes in verschillende categorieën ingedeeld.

Elektromechanisch relais

Een elektromechanisch relais heeft een spoel en een mechanisch bediend contact. Bij het bekrachtigen van de spoel wordt een magnetisch veld opgewekt. Dit veld trekt het anker (het bewegende contact) naar zich toe. Omgekeerd, als de spoel spanningsloos wordt, verliest hij zijn magnetische veld en een veer trekt het anker terug naar zijn oorspronkelijke positie. Lees ons artikel over stroomonderbrekers voor meer informatie over de constructie en werking van elektromechanische relais.

Het elektromagnetische relais (EMR) kan worden gebruikt met een AC- of DC-voedingsbron, afhankelijk van de toepassing. De constructie van EMR-relais voor wisselstroom en gelijkstroom verschilt enigszins, vooral in het ontwerp van hun spoelen.

Het belangrijkste nadeel van een elektromagnetisch relais (EMR) is dat de contacten de neiging hebben om een vlamboog te creëren wanneer ze van elkaar loskomen, waardoor de contactweerstand na verloop van tijd kan toenemen. Deze progressieve toename van de weerstand leidt tot een verkorting van de totale levensduur van het relais.

Solid staterelais

Een solid-state of elektronisch relais (SSR) bestaat uit halfgeleidercomponenten in plaats van mechanische elementen. Wanneer een stuursignaal wordt toegepast op een solid-state relais (SSR), gaat een interne lichtemitterende diode (LED) branden, waardoor infrarood licht wordt uitgezonden. Dit licht wordt gedetecteerd door een fotogevoelige halfgeleidercomponent, die het lichtsignaal omzet in een elektrisch signaal, waardoor de circuitschakelaar wordt geactiveerd.

Solid-state relais werken met een relatief hoge snelheid en verbruiken veel minder stroom dan elektromagnetische relais (EMR's). Ze hebben ook een langere levensduur door het ontbreken van fysieke contacten die kunnen slijten. Een opvallend nadeel van SSR's is echter de inherente spanningsval over de halfgeleider, wat resulteert in vermogensverlies door warmteafvoer. Er zijn ook hybride relais die bestaan uit SSR- en EMR-relais.

Reed relais

Een reed-relais bestaat uit een reed-schakelaar en een elektromagnetische spoel, vaak vergezeld van een diode als bescherming tegen elektromotorische tegenkracht (back EMF). De reed-schakelaar bestaat uit twee slanke metalen tongen van ferromagnetisch materiaal, die in een glazen buis zijn verzegeld (Afbeelding 4 met label C). Deze glazen buis ondersteunt ook de metalen tongen en is gevuld met een inert gas om oxidatie en vervuiling te voorkomen. Bij het bekrachtigen van de spoel (Afbeelding 4 met label B) worden de ferromagnetische metalen bladen in de reed-schakelaar magnetisch tot elkaar aangetrokken, waardoor een gesloten circuit ontstaat. Aangezien er geen bewegend anker bij betrokken is, is het probleem van contactslijtage vrijwel onbestaande. Bovendien verlengt de aanwezigheid van inert gas in de afgesloten glazen buis de levensduur van de schakelaar door corrosie en andere vormen van degradatie te voorkomen.

Thermisch relais

Een elektrothermisch relais bestaat uit een bimetalen strip (samengesteld uit twee metalen met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten). Wanneer de stroom door de geleider vloeit, produceert deze warmte, waardoor de temperatuur van de bimetalen strip stijgt en uitzet. Het metaal met een hoge thermische uitzettingscoëfficiënt zet meer uit dan het andere. Hierdoor buigt de strip en sluit de contacten om het uitschakelcircuit te activeren. Thermische relais worden meestal gebruikt voor de beveiliging van elektromotoren.

Gebaseerd op toepassing

Sequencer relais

De belangrijkste functie van een sequencerrelais is het regelen van de volgorde van bewerkingen tussen verschillende elektrische apparaten of systeemcomponenten. Het ontvangt een signaal dat vooraf bepaalde gebeurtenissen in een specifieke volgorde activeert. Deze relais zijn vaak ontworpen met meerdere contacten die in een specifieke volgorde sluiten of openen als het relais wordt bekrachtigd. Door deze gespreide werking kan het relais meerdere circuits stapsgewijs aansturen. Sequencerrelais worden meestal gebruikt waar precieze timing en volgorde van bewerkingen kritisch zijn. Bijvoorbeeld:

In een HVAC-systeem kan een sequencerrelais de volgorde beheren waarin verwarmingselementen worden geactiveerd om een grote initiële stroompiek te voorkomen en om ervoor te zorgen dat de lucht goed wordt gecirculeerd voordat de verwarming wordt ingeschakeld.

De sequencer kan de ventilatormotor in een elektrische oven activeren om ervoor te zorgen dat er lucht door het systeem stroomt. Na een korte vertraging wordt de eerste set verwarmingselementen geactiveerd en na nog een vertraging worden indien nodig extra elementen geactiveerd. Deze gecontroleerde volgorde helpt het elektrische systeem en de componenten te beschermen tegen overbelasting en zorgt voor een efficiënte werking.

Differentieel relais

Een differentieelrelais is een beveiligingsapparaat dat wordt gebruikt in elektrische energiesystemen om fouten op te sporen in apparatuur zoals transformatoren, generatoren, motoren en stroomrails. Het vergelijkt twee elektrische grootheden, meestal stromen, op verschillende punten in de apparatuur. Als het verschil tussen deze hoeveelheden een vooraf bepaalde waarde overschrijdt, schakelt het relais uit, opent het een stroomonderbreker en isoleert het de defecte apparatuur van de rest van het systeem. Dit helpt schade aan apparatuur te voorkomen en personeel te beschermen tegen elektrische gevaren.

Afstand relay

Een afstandsrelais is een beveiligingsrelais dat wordt gebruikt in elektrische energiesystemen, voornamelijk om transmissielijnen te beschermen. Het meet de impedantie (de gecombineerde weerstand tegen stroomstroming) tussen de locatie van het relais en de fout op de lijn. Door de gemeten impedantie te vergelijken met vooraf ingestelde waarden kan het relais de locatie van de storing bij benadering bepalen en het defecte deel van de lijn isoleren door de bijbehorende stroomonderbreker uit te schakelen.

Bistabiel relais

Een vergrendelend of bistabiel relais is een elektromechanische schakelaar die op één belangrijk punt verschilt van een standaardrelais: de schakeltoestand blijft behouden zonder dat er continu stroom op de spoel wordt gezet. Dit 'vergrendelgedrag' maakt het ideaal voor toepassingen met intermitterende voeding of wanneer men wil dat de schakelaar geactiveerd blijft, zelfs na het verwijderen van het initiële triggersignaal.

Relais met tijdvertraging

Een tijdvertragingsrelais, ook wel timerrelais genoemd, zorgt voor een gecontroleerde pauze tussen de toepassing van een signaal en de activering van de uitgang. Hierdoor kan het relais de timing van elektrische circuits regelen, wat cruciaal is in veel geautomatiseerde processen en regelsystemen.

Frequentierelais

Frequentierelais detecteren en reageren op afwijkingen in de frequentie van het elektrische systeem. Ze zijn van cruciaal belang in stroomopwekkings- en distributiesystemen. Het veiligheidsrelais activeert stroomonderbrekers om belastingen of generatoren uit te schakelen wanneer de frequentie buiten een vooraf gedefinieerd bereik valt, wat duidt op mogelijke overbelasting of verlies van opwekking. Dit helpt om het evenwicht te herstellen en wijdverspreide stroomonderbrekingen of schade aan apparatuur te voorkomen.

Gebaseerd op formulieren

Tabel 2: Relaisclassificatie op basis van vormen

Type formulier	Beschrijving	Diagram
Formulier A	SPST met NO standaardstatus
Formulier B	SPST met NC-standaardstatus
Formulier C	SPDT met dubbele contactklemmen (NO en NC)
Formulier D	Vergelijkbaar met Vorm C, maar het sluit het volgende circuit voordat het het eerste circuit verbreekt (opent).

Toepassingen

• Relais zorgen voor isolatie tussen laagspannings- en hoogspanningscircuits.
• Ze worden gebruikt om meerdere circuits tegelijk aan te sturen.
• Relais kunnen fungeren als automatische omschakelaars om belastingen over te schakelen tussen circuits.
• Microprocessors gebruiken relais om zware elektrische belastingen te regelen.
• Overbelastingsrelais worden toegepast om motoren te beschermen tegen overbelasting en elektrische storingen.

FAQs

Waar worden relais voor gebruikt?

Relais schakelen circuits aan/uit door gebruik te maken van een signaal met laag vermogen om een circuit met hoger vermogen aan te sturen, waardoor isolatie tussen de twee ontstaat.

Wat is het verschil tussen een vergrendelend en een niet-vergrendelend relais?

Een vergrendelrelais behoudt zijn contactpositie na het verwijderen van de activeringsenergie, terwijl een niet-vergrendelrelais constante activeringsenergie nodig heeft om in zijn geactiveerde toestand te blijven.

Wat is het verschil tussen een reed-relais en een elektromagnetisch relais?

Reed relais gebruiken magnetische tongen om te schakelen; ze zijn kleiner en sneller, terwijl elektromagnetische relais spoelen en armaturen gebruiken en meer vermogen aankunnen.

Wat is een klein signaalrelais?

Een relais voor kleine signalen is ontworpen om elektronische signalen met laag vermogen te schakelen met hoge precisie en snelle responstijden.