Hoe elektromagnetische relais werken en waarvoor ze nodig zijn

Elektromagnetische relais: werking, constructie en toepassingen

Elektromagnetische relais (soms gewoon elektrisch relais genoemd) zijn essentiële componenten in elektronische en elektrotechnische systemen die worden gebruikt voor het besturen en schakelen van elektrische circuits. Ondanks de opkomst van solid-state (halfgeleider) relais, worden elektromagnetische relais nog steeds veel gebruikt vanwege hun betrouwbaarheid, eenvoud en vermogen om met hoge stromen en spanningen te werken. In dit artikel zullen we het volgende bespreken:

1. Constructie en werking van het elektromagnetische relais.
2. Waarvoor worden elektromagnetische relais in verschillende sectoren gebruikt.
3. Hun voordelen en nadelen, evenals typische toepassingsgebieden.

Nuttige video’s over het onderwerp

Constructie van de elektromagneet in het relais

Om het werkingsprincipe van het relais te begrijpen, is het eerst belangrijk om de basisconstructie van de elektromagneet te bekijken. Een elektromagneet is een spoel van draad gewikkeld om een ferromagnetische kern (bijvoorbeeld van staal). Wanneer er een elektrische stroom door de spoel loopt, ontstaat er een magnetisch veld dat een bewegend deel van het relais aantrekt of afstoot – de anker of een ander mechanisch element.

Basiscomponenten van een elektromagnetisch relais

1. Spoel (solenoïde)

   • Dit is draad gewikkeld om de kern. Wanneer er stroom door de spoel gaat, creëert deze een magnetisch veld.
   • De wikkeldraad heeft een bepaalde weerstand, berekend voor de werkspanning (bijvoorbeeld 5 V, 12 V, 24 V, 220 V, enz.).

2. Anker (bewegend element)

   • Geplaatst naast de spoel en fungeert als een “slot” dat onder invloed van het magnetische veld zijn positie verandert.
   • Het anker kan aan een draaibare arm zijn bevestigd of zo worden geplaatst dat het contacten sluit of opent.

3. Contactblok

   • Bestaat uit vaste en bewegende contacten (NO/NC — Normally Open/Normally Closed).
   • Bij het activeren van het anker worden de contacten of gesloten of geopend, wat leidt tot het schakelen van het elektrische circuit.

4. Terugveerspring

   • Zorgt ervoor dat het anker terugkeert naar de oorspronkelijke positie wanneer de spoel spanningsloos is.
   • In ontspannen toestand kunnen de contacten zowel open als gesloten zijn, afhankelijk van hoe het relais is geconstrueerd.

Werking van het elektromagnetische relais

1. Voeding naar de spoel
   Wanneer er voeding (elektrische stroom) naar de spoel wordt aangevoerd, ontstaat er een magnetisch veld.

2. Aantrekken van het bewegende deel
   Dit magnetische veld trekt of stoot het anker (bewegend deel) aan. Het resultaat is een mechanische beweging die de toestand van de contacten verandert (open/gesloten).

3. Schakelen van de contacten
   Door de mechanische beweging worden de contacten in het contactblok verbonden of losgekoppeld.

   • Als het contact NO (Normally Open) is, is het normaal gesproken open, maar wordt het gesloten wanneer er stroom naar de spoel wordt aangevoerd.
   • Als het contact NC (Normally Closed) is, is het normaal gesproken gesloten, maar wordt het geopend wanneer er stroom wordt aangevoerd.

4. Besturing van het externe circuit
   Door de verandering in de toestand van de contacten kunnen externe elektrische circuits worden gesloten of geopend. Op deze manier kan een kleine stroom in de spoel een grote stroom in een ander circuit aansteken.

5. Onderbreking van het magnetische veld
   Wanneer de voeding naar de spoel wordt onderbroken, verdwijnt het magnetische veld. De veer brengt het anker terug in de oorspronkelijke positie en de contacten keren terug naar hun oorspronkelijke toestand.

Dit werkingsschema demonstreert het werkingsprincipe van het elektromagnetische relais, dat ten grondslag ligt aan de meeste relaisconstructies. Het is relatief eenvoudig, betrouwbaar en veelzijdig.

Waarvoor worden elektromagnetische relais gebruikt: belangrijkste toepassingsgebieden

1. Automatisering en besturing

• Besturing van motoren en mechanismen: In industriële omgevingen worden relais gebruikt voor het schakelen van elektromotoren, pompen, ventilatoren en andere grote verbruikers die niet rechtstreeks kunnen worden aangestuurd door zwakstroom elektronische apparaten.
• Verlichtingssystemen: Worden gebruikt voor het automatisch in- en uitschakelen van grote groepen lampen of schijnwerpers.
• Verwarmings- en airconditioningsystemen: Stellen in staat om ketels, convectoren, ventilatiesystemen, enz. te besturen, waardoor de gewenste temperatuur wordt gegarandeerd.

2. Elektronica en microcontrollers

• Uitbreiding van ingangen/uitgangen: In microcontrollersystemen of PLC’s (programmable logic controllers) worden relais gebruikt om grote stromen en spanningen te schakelen in vergelijking met zwakke signalen van de besturings elektronica.
• Galvanische isolatie: Elektromagnetische relais bieden duidelijke elektrische isolatie tussen het besturingscircuit en het belastingscircuit, wat belangrijk is voor veiligheid en bescherming tegen storingen.

3. Telecommunicatie en communicatie

• Schakelen van communicatielijnen: In telefooncentrales en datatransmissiesystemen worden relais gebruikt voor het schakelen van spraak- en digitale lijnen.
• Bescherming en redundantie: Wanneer het nodig is om een signaal van de ene antenne naar de andere of van de ene lijn naar de andere om te schakelen, kunnen relais dienen als een betrouwbaar schakelsysteem.

4. Energie en elektriciteitsnetten

• Overloadbescherming: In verdeelkasten kunnen relais worden geactiveerd tijdens overbelasting of kortsluiting, waardoor de circuit wordt uitgeschakeld.
• Overschakelen tussen voedingsbronnen: In ononderbroken voedingssystemen (bijvoorbeeld overschakelen tussen het stadsnet en een generator) worden elektromagnetische relais gebruikt voor betrouwbare schakeling.
• Automatische redundantie: Bij het wegvallen van de voeding in één circuit kan automatisch een reservevoeding worden ingeschakeld.

5. Huishoudelijke apparaten

• Besturing van afzonderlijke eenheden: Koelkasten, wasmachines, airconditioners, boilers en andere apparaten gebruiken vaak relais om grote stromen van verwarmings elementen, compressoren en andere krachtige eenheden te besturen.
• Beschermingsfuncties: In veel apparaten worden relais geïnstalleerd om noodsituaties te voorkomen (oververhitting, spanningspieken, enz.).

Voordelen en nadelen van elektromagnetische relais

Voordelen

1. Eenvoudige constructie en betrouwbaarheid: Het mechanische werkingsprincipe is goed bestudeerd en wordt al tientallen jaren verbeterd.
2. Hoge schakelsnelheid: Kunnen relatief grote stromen en spanningen schakelen.
3. Elektrische isolatie: Het relais scheidt het besturingscircuit van het belastingscircuit, waardoor het risico op schade aan elektronische componenten wordt verminderd.
4. Veelzijdigheid: Geschikt voor veel verschillende toepassingen – van de industrie tot huishoudelijke apparaten.

Nadelen

1. Mechanische slijtage: Na verloop van tijd kunnen de contacten slijten of oxideren, vooral bij hoge stromen of inductieve belastingen.
2. Beperkte schakelsnelheid: De mechanische aard van het relais staat geen zeer hoge schakelfrequenties toe.
3. Energieverbruik van de spoel: Om de contacten in de werkende toestand te houden, moet de spoel continu van stroom worden voorzien.
4. Luid geluid: Tijdens het schakelen kan er een kenmerkend klikgeluid ontstaan.

Types en classificatie van elektromagnetische relais

1. Op basis van het type contacten

   • SPST (Single Pole Single Throw) — één pool, één contact.
   • SPDT (Single Pole Double Throw) — één pool, twee richtingen (NO/NC).
   • DPDT (Double Pole Double Throw) — twee polen, elk met twee richtingen, enz.

2. Op basis van de werkspanning van de spoel

   • Laagspannings (3 V, 5 V, 9 V, 12 V, 24 V) – veelvoorkomend in elektronica en automatisering.
   • Hoogspannings (110 V, 220 V, enz.) – toegepast in industriële en huishoudelijke netwerken.

3. Op basis van het doel

   • Algemeen doel (General Purpose).
   • Tijdrelais (met ingebouwde timers).
   • Beschermingsrelais (voor het detecteren van overbelasting, kortsluitingen).
   • Contacteur (een soort krachtig elektromagnetisch relais voor hoge stromen).

4. Op basis van het aantal werkcycli (levensduur)

   • Gewone relais van gemiddelde levensduur (tientallen of honderden duizenden schakelingen).
   • Speciale industriële relais met een verhoogde levensduur (miljoenen schakelingen).

FAQ over elektromagnetische relais

1. Wat is het werkingsprincipe van een elektromagnetisch relais?

Het werkingsprincipe is gebaseerd op het creëren van een magnetisch veld in de spoel. Wanneer stroom door de spoel loopt, trekt deze het anker aan of stoot het af, waardoor de elektrische contacten mechanisch worden gesloten of geopend, waardoor de stroom in het externe circuit wordt toegestaan of gestopt.

2. Wat is het verschil tussen een elektromagnetisch relais en een solid-state relais?

Een elektromagnetisch relais heeft mechanische contacten, waardoor het een kenmerkend klikgeluid maakt tijdens het schakelen en onderhevig is aan mechanische slijtage. Een solid-state relais (SSR) heeft geen mechanische contacten en schakelt het circuit met behulp van halfgeleidercomponenten. SSR’s zijn sneller in werking, stiller, maar kunnen duurder zijn en soms extra koellichamen nodig hebben om warmte af te voeren.

3. Waarvoor worden elektromagnetische relais gebruikt?

Ze worden gebruikt voor het besturen van grote elektrische belastingen, automatisering van industriële processen, schakelen van communicatielijnen, bieden bescherming tegen overbelasting en in tal van huishoudelijke apparaten (airconditioners, wasmachines, boilers, enz.).

4. Wat is de constructie van de elektromagneet in een relais?

De constructie omvat een spoel van draad gewikkeld om een magnetische kern, en een bewegend deel (anker) dat door het elektromagnetische veld naar de kern wordt getrokken. Deze mechanische beweging maakt het mogelijk dat het contact het elektrische circuit sluit of opent.

5. Hoe kies je een elektromagnetisch relais?

Let op:

• Voeding van de spoel (5 V, 12 V, 24 V, 220 V, enz.).
• Maximale stroom en spanning van de contacten die het relais moet schakelen.
• Aantal en type contacten (NO/NC, SPDT, DPDT, enz.).
• Werkomgeving (temperatuur, vochtigheid, mogelijke mechanische belasting).
• Levensduur en eisen aan de schakelsnelheid.

6. Kan een elektromagnetisch relais worden vervangen door een elektronisch (solid-state)?

Ja, in veel gevallen kan dat, maar houd rekening met:

• Kosten en compatibiliteit met de werkspanning en stroom.
• De noodzaak van koellichamen voor SSR bij hoge vermogens.
• Voordelen en nadelen van elke optie (elektromagnetische relais isoleren beter, SSR kunnen opwarmen en extra energieverbruik veroorzaken).

Conclusie

Elektromagnetische relais zijn een van de basis technologieën die het mogelijk maken om complexe elektrische circuits te automatiseren en te besturen. Hun werkingsprincipe is gebaseerd op het creëren van een magnetisch veld in de spoel, dat mechanisch de contacten verplaatst, waardoor het externe circuit wordt gesloten of geopend. Dankzij de eenvoud, betrouwbaarheid en het vermogen om grote stromen te schakelen, worden dergelijke relais veel gebruikt in industriële systemen, telecommunicatie, huishoudelijke apparaten en vele andere sectoren.

Het begrijpen van de constructie van de elektromagneet, het mechanisme van het schakelen van contacten en de kenmerken van de relaisconstructie stelt je in staat om het juiste type apparaat te kiezen en een langdurige en veilige werking van elektrische systemen te waarborgen. Het in overweging nemen van de voordelen en nadelen helpt bij het nemen van een weloverwogen beslissing over de overstap naar andere technologieën (bijvoorbeeld solid-state relais) of het voortzetten van het gebruik van traditionele elektromagnetische relais.