Relais und Optokoppler: Ansteuerung, Kennwerte, galvanische Trennung

Relais und Optokoppler: Ansteuerung, Kennwerte, galvanische Trennung

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Relais, Optokoppler, galvanische Trennung, Anzugsspannung, Wechsler, Stromstoßrelais, Verriegelung, Stromübertragungsverhältnis, Halbleiterrelais, PhotoMOS, SPS-Eingang, Lichtschranke

tl/dr; (ca. 25 min Lesezeit): Ein Mikrocontroller soll eine 230-V-Pumpe schalten, eine Steuerung soll ein 24-V-Signal sicher einlesen: Dazwischen braucht es eine galvanische Trennung. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Relais aufgebaut sind, wie Du ihre Kennwerte aus (englischen) Datenblättern liest, Spulenstrom, Leistung und Schaltbedingungen berechnest und Relaiskontakte in Schaltplänen deutest. Danach geht es um Optokoppler: Eingangs- und Ausgangskreis dimensionieren, mit dem Stromübertragungsverhältnis und dem Kennlinienfeld arbeiten, Halbleiterrelais einsetzen, Ersatztypen prüfen und die galvanische Trennung in SPS-Baugruppen und Netzteilen verstehen [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)

Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste des Artikels Transistor als Schalter: Bipolar- und MOSFET-Schaltstufen, Basiswiderstand, Darlington-Treiber auf.

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Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … Aufbau, Kontaktarten und Kennwerte eines Relais beschreiben und Spulenstrom und Leistungsaufnahme aus Spulenwiderstand, Sättigungsspannung und (englischen) Datenblattwerten berechnen.

• … eine Relais-Schaltstufe für einen Logik-, Mikrocontroller- oder OPV-Ausgang auswählen und den nötigen Ausgangsstrom der Ansteuerstufe bestimmen.

• … Schaltbedingungen eines Relais (Anzugs- und Abfallspannung, Einschalttemperatur mit NTC) bestimmen und Relaiskontakte in Verriegelungen sowie die Schaltzeichen besonderer Relaisarten wie des Stromstoßrelais deuten.

• … Relais- und Transistorausgänge vergleichen und für eine Anwendung auswählen.

• … die Aufgabe von Optokopplern zur galvanischen Trennung von Stromkreisen und Schnittstellen erklären.

• … den Vorwiderstand der Eingangs-LED eines Optokopplers berechnen und Ausgangsströme und -spannungen aus Stromübertragungsverhältnis, Kennlinienfeld und Datenblattwerten ermitteln.

• … die Funktion von Gabel- und Reflexlichtschranken mit nachgeschaltetem Komparator erklären.

• … Halbleiterrelais (Solid-State- und PhotoMOS-Relais) erklären, dimensionieren und anhand von Datenblättern prüfen, ob ein Koppler oder Relais durch einen anderen Typ ersetzt werden kann.

• … die Baugruppen einer SPS und die galvanische Trennung ihrer Ein- und Ausgabebaugruppen sowie zwischen Netz- und Kleinspannungsteil erklären.

Ein Mikrocontroller arbeitet mit 3,3 V, die Heizung im Werkstattcontainer mit 230 V. Eine Steuerung im Schaltschrank liest Sensoren ein, deren Leitungen viele Meter durch die Halle laufen. In beiden Fällen sollen die empfindliche Elektronik und der „raue“ Stromkreis keine leitende Verbindung haben. Diese galvanische Trennung übernehmen zwei Bauelemente: Das Relais überträgt den Schaltbefehl magnetisch und mechanisch, der Optokoppler mit Licht.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Relais und Optokoppler.

Schritt 1: Aufbau und Kontaktarten eines Relais

Ein Relais ist ein elektromagnetisch betätigter Schalter. Fließt Strom durch die Spule, magnetisiert sie den Eisenkern. Der Kern zieht einen beweglichen Anker an, und der Anker bewegt die Kontakte. Ohne Spulenstrom drückt eine Feder den Anker zurück. Spulenkreis (Steuerstromkreis) und Kontakte (Laststromkreis) haben keine leitende Verbindung: Das Relais trennt galvanisch und kann mit wenigen Milliampere bei 5 V oder 24 V Lasten an 230 V schalten.

Im Stromlaufplan tragen Relais und Schütze den Kennbuchstaben K (z. B. -K1). Die Spule ist ein Rechteck mit den Anschlüssen A1 und A2, die Kontakte werden getrennt davon gezeichnet und über die Kennzeichnung (und im Detailplan über eine gestrichelte Wirklinie) der Spule zugeordnet:

Die erste Ziffer der Kontaktkennzahl ist die Ordnungsziffer (erster, zweiter … Kontakt), die zweite die Funktion. Kontakte werden immer im Ruhezustand gezeichnet, also bei stromloser Spule.

Besondere Relaisarten:

• monostabiles Relais (Standardfall): Die Kontakte bleiben nur so lange umgeschaltet, wie Strom durch die Spule fließt.

• Stromstoßrelais (Fernschalter): Jeder kurze Spannungsimpuls an der Spule schaltet die Kontakte um und ein Rastmechanismus hält sie in der neuen Stellung, bis der nächste Impuls kommt. Mehrere parallel geschaltete Taster schalten so dieselbe Beleuchtung von beliebig vielen Stellen aus (Flur, Treppenhaus). Im Schaltzeichen steht ein Impulssymbol in der Spule.

• bistabiles Relais (Remanenzrelais): Es bleibt in der zuletzt geschalteten Stellung, zum Umschalten dient ein Impuls an einer zweiten Spule oder ein Impuls mit umgekehrter Polarität. Es braucht im Dauerbetrieb keinen Spulenstrom.

• Zeitrelais: Die Kontakte schalten verzögert nach dem Einschalten (ansprechverzögert) oder nach dem Ausschalten (rückfallverzögert).

Verriegelung: Zwei Relais dürfen manchmal nicht gleichzeitig anziehen, z. B. die Relais für Rechts- und Linkslauf eines Motors oder für Heizen und Kühlen. Dazu liegt ein Öffner von -K1 im Spulenstromkreis von -K2 und ein Öffner von -K2 im Spulenstromkreis von -K1. Hat eines angezogen, ist der Spulenkreis des anderen unterbrochen. Ein einzelner Wechsler verriegelt zwei Lasten von selbst: Der Mittelkontakt liegt entweder an 12 oder an 14, nie an beiden. Wie Verriegelung und Selbsthaltung mit Schützen in größeren Steuerungen aussehen, zeigt der Artikel Schützsteuerungen.

Schritt 2: Kennwerte und Spulenstrom eines Relais

Relaisdatenblätter sind meist englisch. Die wichtigsten Angaben stehen in den Abschnitten Coil Data und Contact Data:

Für den Spulenkreis ist die Spule im eingeschalteten Dauerzustand nur ihr ohmscher Widerstand R_\mathrm{Sp}. Wird die Spule über einen gesättigten Transistor geschaltet, liegt dessen Sättigungsspannung in der Masche (siehe Transistor als Schalter):

U_\mathrm{B} = I_\mathrm{Sp} \cdot R_\mathrm{Sp} + U_\mathrm{CEsat} \qquad P_\mathrm{Sp} = I_\mathrm{Sp}^2 \cdot R_\mathrm{Sp} = U_\mathrm{Sp} \cdot I_\mathrm{Sp}

Beispiel: Ein 24-V-Relais hat R_\mathrm{Sp} = 1{,}44\ \mathrm{k\Omega} und wird über einen Transistor mit U_\mathrm{CEsat} = 0{,}3\ \mathrm{V} an 24 V geschaltet:

I_\mathrm{Sp} = \frac{U_\mathrm{B} - U_\mathrm{CEsat}}{R_\mathrm{Sp}} = \frac{24\ \mathrm{V} - 0{,}3\ \mathrm{V}}{1440\ \Omega} \approx 16{,}5\ \mathrm{mA} \qquad P_\mathrm{Sp} = (16{,}5\ \mathrm{mA})^2 \cdot 1440\ \Omega \approx 390\ \mathrm{mW}

Steht im Datenblatt nur die Nennleistung (hier 400 mW), rechnest Du zuerst I_\mathrm{N} = P_\mathrm{N} : U_\mathrm{N} und R_\mathrm{Sp} = U_\mathrm{N} : I_\mathrm{N}.

Schaltbedingungen: Ein Relais schaltet nicht bei einer festen Spannung, sondern hat eine Hysterese. Steigt die Spulenspannung, zieht es spätestens bei der Anzugsspannung an; sinkt sie, fällt es erst unterhalb der Haltespannung ab, spätestens bei der Abfallspannung. Für eine sichere Funktion muss die Spulenspannung im ungünstigsten Fall (kleinste Betriebsspannung, warme Spule mit größerem Widerstand, Sättigungsspannung des Treibers abgezogen) über der Anzugsspannung liegen, im ausgeschalteten Zustand (Reststrom des Treibers) unter der Abfallspannung.

Schritt 3: Relais ansteuern und Schaltbedingungen bestimmen

Der Spulenstrom eines Relais (typisch 15 … 100 mA) ist größer, als ein Logik- oder Mikrocontrollerausgang liefern darf, und oft ist die Spulenspannung höher als der Ausgangspegel. Deshalb liegt fast immer eine Ansteuerstufe dazwischen: Basisvorwiderstand, Schalttransistor, Freilaufdiode parallel zur Spule und häufig eine Anzeige-LED. Aufbau und Dimensionierung dieser Relaisstufe zeigt der Artikel Transistor als Schalter im Schritt 3; hier geht es um die Auswahl.

Den Ausgangsstrom, den die Ansteuerstufe vom steuernden Baustein braucht, bestimmt der Basisstrom: I_\mathrm{B} = \ddot{u} \cdot I_\mathrm{Sp} : B_\mathrm{min}. Für das 24-V-Relais aus Schritt 2 mit B_\mathrm{min} = 100 und Übersteuerungsfaktor \ddot{u} = 3 sind das etwa 0{,}5\ \mathrm{mA} – das schafft jeder Logikausgang.

Schaltbedingungen in einer Schaltung bestimmen: Oft entscheidet nicht ein Programm, sondern die Schaltung selbst, wann ein Relais anzieht. Dann suchst Du die Größe, bei der der Transistor gerade durchschaltet:

• Umschaltspannung: Das Relais zieht an, wenn die Spannung an der Spule die Anzugsspannung erreicht. Wird es an einer schwankenden Versorgung (Akku, Bordnetz) betrieben, gilt U_\mathrm{B,min} = U_\mathrm{Anzug} + U_\mathrm{CEsat}.

• Einschalttemperatur mit NTC: Liegt ein NTC als unterer Widerstand im Basisspannungsteiler einer Transistorstufe, steigt die Basisspannung, wenn es kälter wird (der NTC-Widerstand wird größer). Der Transistor schaltet etwa bei U_\mathrm{BE} \approx 0{,}65\ \mathrm{V}. Vernachlässigst Du den kleinen Basisstrom, gilt die Spannungsteilerregel: Mit R_1 = 47\ \mathrm{k\Omega} oben an U_\mathrm{B} = 12\ \mathrm{V} schaltet das Relais, sobald R_\mathrm{NTC} = R_1 \cdot \dfrac{0{,}65\ \mathrm{V}}{12\ \mathrm{V} - 0{,}65\ \mathrm{V}} \approx 2{,}69\ \mathrm{k\Omega} erreicht. Die zugehörige Temperatur liest Du in der Widerstands-Temperatur-Tabelle des NTC ab. Einen solchen Frostwächter beschreibt auch der Artikel Veränderliche Widerstände. Sauberer schaltet ein Komparator mit Hysterese, weil der Transistor allein im Übergangsbereich das Relais „flattern“ lässt.

• Stromstoßrelais: Hier zählt nicht der Pegel, sondern der Impuls. Jeder Tastendruck schaltet um; ob das Licht danach an oder aus ist, hängt vom vorherigen Zustand ab.

Schaltung mit Relaiskontakten erweitern: Ein zusätzlicher Kontakt desselben Relais kann eine Meldeleuchte schalten, einen Selbsthaltekreis bilden oder ein anderes Relais verriegeln. Reicht die Kontaktzahl nicht, steuert ein Kontakt die Spule eines weiteren Relais (Hilfsrelais) an.

Schritt 4: Relais- und Transistorausgänge vergleichen

Steuerungen bieten ihre Ausgänge wahlweise als Relais- oder als Transistorausgang an. Die Gegenüberstellung im Artikel Transistor als Schalter (Schritt 7) fasst sich für die Auswahl so zusammen:

Eine Faustregel zur Lebensdauer: Ein Relais mit 10^5 elektrischen Schaltspielen ist nach etwa 70 Tagen verschlissen, wenn es jede Minute einmal schaltet (60 \cdot 24 = 1440 Schaltspiele pro Tag). Für häufiges Schalten ist ein Transistorausgang oder ein Halbleiterrelais (Schritt 8) die bessere Wahl.

Schritt 5: Aufbau und Aufgabe eines Optokopplers

Ein Optokoppler überträgt ein Signal mit Licht zwischen zwei Stromkreisen, die elektrisch nicht verbunden sind. Im Gehäuse liegen sich ein Sender (meist eine Infrarot-LED) und ein Empfänger (z. B. ein Fototransistor) gegenüber; dazwischen liegt eine lichtdurchlässige Isolierstrecke. Fließt der Durchlassstrom I_\mathrm{F} durch die LED, erzeugt das Licht in der Basis-Kollektor-Zone des Fototransistors einen Fotostrom, der wie ein Basisstrom wirkt: Der Transistor wird leitend.

Die Isolationsprüfspannung U_\mathrm{ISO} (z. B. 5000 V eff. für eine Minute) gibt an, mit welcher Spannung die Isolierstrecke geprüft wurde. Sie ist keine zulässige Dauerspannung; dafür nennt das Datenblatt eine eigene, deutlich kleinere Arbeitsspannung.

Nach dem Empfänger unterscheidet man mehrere Bauformen:

Offene Bauformen sind die Gabellichtschranke (Sender und Empfänger stehen sich in einem Schlitz gegenüber, ein Gegenstand unterbricht das Licht) und die Reflexlichtschranke (das Licht wird an einer Oberfläche zurückgeworfen). Sie dienen als Sensoren, z. B. als Endlagenschalter, Drehzahl- oder Papiersensor, nicht zur Trennung. Weil der Fototransistor ein „weiches“ Analogsignal liefert, das von Verschmutzung, Fremdlicht und Alterung abhängt, folgt meist ein Komparator: Er vergleicht die Spannung am Arbeitswiderstand mit einer Referenzspannung und gibt ein eindeutiges Digitalsignal aus. Mit Hysterese (Mitkopplung über einen Widerstand) schaltet er auch bei langsam wechselndem Lichtstrom ohne Flattern. Mehr zum Komparator steht im Artikel Komparator und Schmitt-Trigger.

Schritt 6: Eingangskreis eines Optokopplers dimensionieren

Die LED im Optokoppler braucht wie jede Leuchtdiode einen Vorwiderstand R_\mathrm{V}. Infrarot-LEDs haben eine Durchlassspannung von etwa U_\mathrm{F} \approx 1{,}1 \dots 1{,}4\ \mathrm{V}. Aus der Masche des Eingangskreises folgt

U_\mathrm{E} = I_\mathrm{F} \cdot R_\mathrm{V} + U_\mathrm{F} \quad \Rightarrow \quad R_\mathrm{V} = \frac{U_\mathrm{E} - U_\mathrm{F}}{I_\mathrm{F}}

Beispiel: Ein Mikrocontroller (3,3 V) soll die LED mit etwa I_\mathrm{F} = 5\ \mathrm{mA} betreiben, U_\mathrm{F} = 1{,}2\ \mathrm{V}: R_\mathrm{V} = 2{,}1\ \mathrm{V} : 5\ \mathrm{mA} = 420\ \Omega. Damit der Strom nicht größer wird, wählst Du den nächstgrößeren E12-Wert 470\ \Omega; dann fließen I_\mathrm{F} = 2{,}1\ \mathrm{V} : 470\ \Omega \approx 4{,}47\ \mathrm{mA}.

• Kann der steuernde Ausgang den LED-Strom nicht liefern, schaltet ein Transistor die LED. Dann liegt dessen Sättigungsspannung zusätzlich in der Masche: R_\mathrm{V} = (U_\mathrm{B} - U_\mathrm{F} - U_\mathrm{CEsat}) : I_\mathrm{F}.

• An höheren Eingangsspannungen (24 V) wird die Verlustleistung im Vorwiderstand nennenswert: P_{R\mathrm{V}} = I_\mathrm{F}^2 \cdot R_\mathrm{V}.

• Die LED verträgt nur eine kleine Sperrspannung (reverse voltage, oft 5 … 6 V). Kann die Eingangsspannung verpolt anliegen, schützt eine antiparallele Diode.

Schritt 7: Ausgangskreis, Stromübertragungsverhältnis und Kennlinienfeld

Der Kollektorstrom des Fototransistors hängt vom LED-Strom ab. Das Verhältnis heißt Stromübertragungsverhältnis (current transfer ratio, CTR) oder Koppelfaktor:

\mathrm{CTR} = \frac{I_\mathrm{C}}{I_\mathrm{F}} \cdot 100\ \%

Das CTR streut zwischen Exemplaren desselben Typs stark (z. B. 50 … 600 %, oft in Gruppen sortiert), hängt von I_\mathrm{F} und der Temperatur ab und sinkt mit der Betriebszeit, weil die Lichtleistung der LED nachlässt. Gerechnet wird deshalb mit dem Mindestwert \mathrm{CTR}_\mathrm{min} und einer Reserve.

Wie beim Transistor zeigt ein Ausgangskennlinienfeld I_\mathrm{C} = f(U_\mathrm{CE}), hier mit dem LED-Strom I_\mathrm{F} als Parameter. Die Arbeitsgerade des Ausgangskreises verbindet U_\mathrm{CE} = U_\mathrm{B} (kein Strom) mit I_\mathrm{C} = U_\mathrm{B} : R_\mathrm{C} (Transistor ganz leitend). Wo sie die Kennlinie des eingestellten LED-Stroms schneidet, liegt der Arbeitspunkt:

Soll der Fototransistor als Schalter sicher durchschalten, muss der Strom, den er liefern könnte, größer sein als der Strom, den der Arbeitswiderstand zulässt:

\mathrm{CTR}_\mathrm{min} \cdot I_\mathrm{F} \geq I_\mathrm{C,erf} = \frac{U_\mathrm{B} - U_\mathrm{CEsat}}{R_\mathrm{C}}

Für das Beispiel aus Schritt 6 (I_\mathrm{F} = 4{,}47\ \mathrm{mA}, \mathrm{CTR}_\mathrm{min} = 100\ \%) mit R_\mathrm{C} = 4{,}7\ \mathrm{k\Omega} an 5 V: I_\mathrm{C,erf} = 4{,}7\ \mathrm{V} : 4{,}7\ \mathrm{k\Omega} = 1{,}0\ \mathrm{mA}, möglich sind 4{,}47\ \mathrm{mA}. Der Fototransistor sättigt mit gut vierfacher Reserve, auch wenn das CTR im Lauf der Jahre sinkt. Ein größerer R_\mathrm{C} erleichtert die Sättigung, macht den Ausgang aber langsamer und störempfindlicher.

Der Fototransistor wird mit Kollektor- oder mit Emitterwiderstand betrieben:

Folgt am Ausgang ein Spannungsteiler oder ein Bausteineingang, rechnest Du mit der Spannungsteilerregel weiter: den leitenden Fototransistor ersetzt Du durch die Spannungsquelle U_\mathrm{CEsat}, den gesperrten durch einen offenen Schalter. Optokoppler sind nicht verzögerungsfrei: Ein- und Ausschaltzeit (t_\mathrm{on}, t_\mathrm{off}) liegen bei Fototransistoren im Bereich einiger Mikrosekunden und wachsen mit dem Arbeitswiderstand; als grobe Grenze gilt f_\mathrm{max} \approx 1 : (t_\mathrm{on} + t_\mathrm{off}).

Schritt 8: Halbleiterrelais und FET-Optokoppler

Ein Halbleiterrelais (solid state relay, SSR) verbindet die Vorteile beider Welten: Eingangsseitig steuert eine LED wie beim Optokoppler, ausgangsseitig schaltet ein Leistungshalbleiter verschleißfrei.

• SSR für Wechselspannung: Ein Fototriac mit Nullspannungsschalter zündet einen Leistungstriac (oder zwei antiparallele Thyristoren) im Nulldurchgang der Netzspannung. Das hält Störungen klein und eignet sich für ohmsche Lasten wie Heizungen. Ausgeschaltet wird beim nächsten Stromnulldurchgang. Ein SSR für AC kann keine Gleichspannung abschalten.

• PhotoMOS-Relais (FET-Optokoppler): Eine Fotodiodenzeile erzeugt aus dem Licht der LED die Gate-Spannung für zwei in Reihe geschaltete MOSFETs. Sie schalten Gleich- und Wechselspannung, haben einen kleinen Durchlasswiderstand R_\mathrm{on} und praktisch keine Ansteuerleistung auf der Lastseite.

Ein Halbleiterrelais dimensionierst Du in zwei Teilen:

• Eingang: LED-Vorwiderstand wie in Schritt 6, wobei der LED-Strom über dem garantierten Einschaltstrom (I_\mathrm{F,on}, LED operate current) liegen muss und unter dem Grenzwert. Viele SSR für Hutschienen haben eine eingebaute Strombegrenzung und einen Steuerspannungsbereich (z. B. 3 … 32 V DC).

• Ausgang: Lastspannung (load voltage) und Laststrom (continuous load current) mit Reserve; Verlustleistung P_\mathrm{V} = I_\mathrm{L}^2 \cdot R_\mathrm{on} (PhotoMOS) bzw. P_\mathrm{V} \approx U_\mathrm{T} \cdot I_\mathrm{L} mit U_\mathrm{T} \approx 1 \dots 1{,}6\ \mathrm{V} (Triac-SSR, daher ab einigen Ampere mit Kühlkörper). Beispiel: PhotoMOS-Relais mit R_\mathrm{on} = 0{,}8\ \Omega bei 0{,}5\ \mathrm{A}: P_\mathrm{V} = (0{,}5\ \mathrm{A})^2 \cdot 0{,}8\ \Omega = 0{,}2\ \mathrm{W}.

• Nachteile gegenüber dem Relais: Im ausgeschalteten Zustand fließt ein kleiner Ableitstrom (off-state leakage, µA bis mA); manche kleinen Lasten (Glimmlampen, LED-Lampen) glimmen dann nach. Es gibt einen Spannungsfall und damit Wärme, und ein Halbleiter fällt bei Überlast eher „durchlegiert“ aus.

Ersatztyp prüfen: Soll ein Optokoppler, ein Halbleiterrelais oder ein Sensor wie eine Gabellichtschranke durch einen anderen Typ ersetzt werden, vergleichst Du die Datenblätter Punkt für Punkt:

Schritt 9: Galvanische Trennung in SPS und Netzteil

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) besteht aus Stromversorgung (meist 24 V DC aus einem Netzteil), Zentraleinheit (CPU mit Programmspeicher und Prozessor), Eingabebaugruppen (Sensoren, Taster, Endschalter), Ausgabebaugruppen (Relais-, Transistor- oder Analogausgänge) und meist einer Kommunikationsschnittstelle. Die Feldseite mit ihren langen Leitungen ist Störungen, Überspannungen und Fehlern ausgesetzt; die CPU arbeitet mit 3,3 V oder 5 V. Deshalb sind Ein- und Ausgabebaugruppen von der CPU galvanisch getrennt: an den Eingängen und Transistorausgängen mit Optokopplern, an den Relaisausgängen durch das Relais selbst.

Eine typische 24-V-Eingangsschaltung zeigt, wie der Optokoppler zugleich die Schaltschwelle festlegt:

• R_1 begrenzt den Eingangsstrom.

• R_2 liegt parallel zur LED. Erst wenn an R_2 die Durchlassspannung der LED anliegt, fließt LED-Strom. Kleine Spannungen (Störungen, Leckströme von Sensoren) werden so sicher als 0-Signal erkannt.

• Die Diode R_3 schützt die LED bei verpolter Eingangsspannung.

Beispiel: R_1 = 4{,}7\ \mathrm{k\Omega}, R_2 = 1\ \mathrm{k\Omega}, U_\mathrm{F} = 1{,}1\ \mathrm{V}. Die LED beginnt zu leiten bei U_\mathrm{E} = U_\mathrm{F} \cdot (R_1 + R_2) : R_2 = 1{,}1\ \mathrm{V} \cdot 5{,}7 \approx 6{,}27\ \mathrm{V}. Bei 24 V fließen durch R_1 etwa (24\ \mathrm{V} - 1{,}1\ \mathrm{V}) : 4{,}7\ \mathrm{k\Omega} \approx 4{,}87\ \mathrm{mA}, davon 1{,}1\ \mathrm{mA} durch R_2 und etwa 3{,}77\ \mathrm{mA} durch die LED. Für 24-V-Eingänge legt die Norm DIN EN 61131-2 Spannungs- und Strombereiche für das 0- und das 1-Signal fest (z. B. Typ 1: 0-Signal bis 5 V, 1-Signal ab 15 V).

Trennung zwischen Netz- und Kleinspannungsteil: In jedem Netzteil, das eine berührbare Kleinspannung (SELV/PELV) erzeugt, muss die Netzseite (Primärseite) sicher vom Ausgang getrennt sein. Im Schaltnetzteil übernimmt der Transformator die Energie; die Ausgangsspannung wird auf der Sekundärseite gemessen und das Regelsignal über einen Optokoppler zum Regler auf der Primärseite übertragen. Wo ein Mikrocontroller Netzlasten schaltet, trennt ein Relais (sichere Trennung zwischen Spule und Kontakt), ein Halbleiterrelais oder ein Optotriac. Welche Schaltung eine Trennung herstellt, erkennst Du daran, ob es zwischen den beiden Seiten noch eine leitende Verbindung (gemeinsames Bezugspotenzial, Widerstand, Diode, Transistor) gibt: Spannungsteiler und Transistorstufen trennen nicht, Relais, Optokoppler und Transformator schon. Mehr zur sicheren Trennung steht im Artikel Schutz gegen elektrischen Schlag.

Wie geht es weiter?

Relais und Optokoppler begegnen Dir in jeder Steuerung:

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Relais und Optokoppler

• Relaisstufe, Basisvorwiderstand und Treiberarrays: Transistor als Schalter

• Selbsthaltung, Verriegelung und Tippbetrieb mit Schützen: Schützsteuerungen

• Ein- und Ausgänge am Mikrocontroller: Digitale Ein- und Ausgänge

• Aufbau und Programmierung einer Steuerung: SPS-Grundlagen

Leitfragen

1. Woran erkennst Du im Stromlaufplan Schließer, Öffner und Wechsler eines Relais, und in welchem Zustand werden sie gezeichnet? Antwort

An der zweiten Ziffer der Kontaktkennzahl: 3–4 Schließer, 1–2 Öffner, 1–2–4 Wechsler. Gezeichnet wird immer der Ruhezustand bei stromloser Spule. siehe Abschnitt „Schritt 1: Aufbau und Kontaktarten eines Relais“

2. Wie unterscheidet sich ein Stromstoßrelais von einem gewöhnlichen Relais, und wie verriegelst Du zwei Relais gegeneinander? Antwort

Ein Stromstoßrelais schaltet bei jedem Impuls um und bleibt in der neuen Stellung. Zur Verriegelung liegt je ein Öffner des einen Relais im Spulenstromkreis des anderen. siehe Abschnitt „Schritt 1: Aufbau und Kontaktarten eines Relais“

3. Wie berechnest Du Spulenstrom und Leistungsaufnahme eines Relais, das über einen Transistor geschaltet wird? Antwort

I_\mathrm{Sp} = (U_\mathrm{B} - U_\mathrm{CEsat}) : R_\mathrm{Sp} und P_\mathrm{Sp} = I_\mathrm{Sp}^2 \cdot R_\mathrm{Sp}; fehlt R_\mathrm{Sp}, folgt er aus Nennspannung und Nennleistung. siehe Abschnitt „Schritt 2: Kennwerte und Spulenstrom eines Relais“

4. Was bedeuten must operate voltage und must release voltage, und wie bestimmst Du die kleinste Versorgungsspannung, an der eine Relaisstufe noch sicher arbeitet? Antwort

Anzugsspannung (sicher anziehen) und Abfallspannung (sicher abfallen). Die Spulenspannung muss mindestens die Anzugsspannung erreichen: U_\mathrm{B,min} = U_\mathrm{Anzug} + U_\mathrm{CEsat}. siehe Abschnitt „Schritt 3: Relais ansteuern und Schaltbedingungen bestimmen“

5. Wann wählst Du einen Relaisausgang, wann einen Transistorausgang? Antwort

Relais bei Wechselspannung, potenzialfreien Kontakten und kleinem Spannungsfall; Transistor bei vielen Schaltspielen, hoher Schaltfrequenz (PWM) und geräuschlosem Betrieb. siehe Abschnitt „Schritt 4: Relais- und Transistorausgänge vergleichen“

6. Wozu dient ein Optokoppler, und was sagt seine Isolationsprüfspannung aus? Antwort

Er überträgt ein Signal mit Licht zwischen galvanisch getrennten Kreisen, z. B. zum Schutz der Elektronik, gegen Erdschleifen oder über eine Sicherheitsgrenze. Die Isolationsprüfspannung ist die kurzzeitige Prüfspannung der Isolierstrecke, keine zulässige Dauerspannung. siehe Abschnitt „Schritt 5: Aufbau und Aufgabe eines Optokopplers“

7. Wann schaltet der Fototransistor eines Optokopplers sicher durch, und warum rechnest Du mit dem kleinsten CTR? Antwort

Wenn \mathrm{CTR}_\mathrm{min} \cdot I_\mathrm{F} größer ist als (U_\mathrm{B} - U_\mathrm{CEsat}) : R_\mathrm{C}. Das CTR streut zwischen Exemplaren, hängt von Temperatur und Strom ab und sinkt durch Alterung der LED. siehe Abschnitt „Schritt 7: Ausgangskreis, Stromübertragungsverhältnis und Kennlinienfeld“

8. Welche Vor- und Nachteile hat ein PhotoMOS-Relais gegenüber einem mechanischen Relais? Antwort

Vorteile: verschleißfrei, geräuschlos, prellfrei, kleiner Steuerstrom. Nachteile: Ableitstrom im ausgeschalteten Zustand, Spannungsfall und Verlustleistung I^2 \cdot R_\mathrm{on}, empfindlich gegen Überlast. siehe Abschnitt „Schritt 8: Halbleiterrelais und FET-Optokoppler“

9. Wo trennt eine SPS galvanisch, und welche Aufgabe hat der Widerstand parallel zur LED in einer 24-V-Eingangsschaltung? Antwort

Zwischen CPU und Ein- bzw. Ausgabebaugruppen (Optokoppler, bei Relaisausgängen das Relais). Der Parallelwiderstand hebt die Schaltschwelle an: Erst wenn an ihm die LED-Durchlassspannung liegt, leitet die LED. siehe Abschnitt „Schritt 9: Galvanische Trennung in SPS und Netzteil“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Relais

• zum Optokoppler: Wikipedia: Optokoppler

• zum Halbleiterrelais: Wikipedia: Halbleiterrelais

• zum Stromstoßrelais: Wikipedia: Stromstoßschalter

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