Um eine Aufgabe zufriedenstellend fertigzustellen, benötigt man entsprechende Hilfsmittel. Aber im täglichen Leben ist es nicht immer offensichtlich, welches das geeignete Werkzeug oder die richtige Komponente ist. Wenn man beispielsweise einen Nagel einschlagen muss, verwendet man am besten einen Hammer. Wenn man jedoch ein Stück Holz zuschneiden möchte, kann man eine Tischsäge, eine Gehrungssäge, eine Stichsäge, eine Zugsäge, eine Fräse, ein Messer, einen Laserschneider oder eine Reihe anderer Geräte verwenden. Mit all diesen Geräten lässt sich Holz zuschneiden, aber einige funktionieren für spezielle Aufgaben besser als andere.
In der Welt des Ingenieurwesens ist dieses Problem zur Genüge bekannt, und Transistoren und Relais sind perfekte Beispiele dafür. Beide Komponenten erledigen de facto die gleiche Aufgabe – sie schalten den Stromfluss ein und aus – verwenden dazu aber sehr unterschiedliche Methoden. Je nachdem, über welchen Erfahrungsschatz Sie verfügen oder in welcher Branche Sie tätig sind, verwenden Sie möglicherweise standardmäßig eine der beiden Komponenten. Aber jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Um zu beurteilen, welche für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, ist es wichtig, die detaillierten Eigenschaften jeder Komponente zu kennen.
Zuverlässige Relais
Relais handelt es sich um bewährte Technik. Sie schalten physisch Kontakte – ganz so, als würden Sie selbst einen Schalter umlegen. Sie verwenden in der Regel einen elektromagnetischen Reedschalter, damit ein kleines elektrisches Signal viel höhere Spannungen schaltet.
Relais unterscheiden sich von Transistoren in einigen wichtigen Merkmalen. Die fünf größten Unterschiede sind:
- • Relais sind für viel höhere Strom- und Spannungslasten ausgelegt.
- • Relais können Spannungen unabhängig vom internen Schaltkreis des Geräts schalten.
- • Relais sind für Wechsel- oder Gleichstromlasten (AC- oder DC-Lasten) ausgelegt.
- • Bei Relais treten keine Kriechströme auf. Ein Relais ist vollständig ein- oder ausgeschaltet.
- • Relais unterliegen einem sehr geringen Widerstand. Aus elektrotechnischer Sicht ist ein geschlossenes Relais nahezu identisch mit einem durchgängigen Draht.
Die meisten Relais verfügen über einen NO- und einen NC-Kontakt (NO = Normally Open (Schließer), NC = Normally Closed (Öffner)), wodurch man jeweils den Stromkreis schließen (NO) oder öffnen (NC) kann, wenn Spannung angelegt wird. NO und NC können bei Bedarf beide gleichzeitig verwendet werden.
Relais erzeugen ein hörbares Klickgeräusch, wenn sie ein- oder ausgeschaltet werden. Dies hat seine Vorteile, kann sich aber als Nachteil erweisen, wenn Lärm ein Problem darstellt. Bei manchen Relais ist es möglich, ihren Zustand visuell zu überwachen. Andere verfügen über eine Bypass-/Prüftaste oder einen Schalter zum manuellen Betätigen des Relais.
Das Schalten erfolgt viel langsamer als bei Transistoren und Kontakte können „prellen“, was zur Folge hat, dass ein Signal bei Betätigung des Schalters vorübergehend ein und aus flattert.
Außerdem verbrauchen Relais im eingeschalteten Zustand eine relativ große Menge Strom. Es sind bistabile Relais erhältlich, die auch als „Latching“-Relais bezeichnet werden, bei denen der Strom lediglich ein- und ausgeschaltet werden muss.
Letztlich sind Relais meist viel größer als Transistoren, und es handelt sich um elektromagnetische Komponenten, d.h. sie können elektromagnetische Flussstörungen (EMF-Störungen) verursachen.
Transistoren: Schnelligkeit und Einfachheit
Transistoren ermöglichen im Gegensatz zu einem Ein-/Ausschalter das Fließen von Strom zwischen dem Kollektor und dem Emitter. In Transistoren werden keine beweglichen Teile verwendet. Stattdessen ändert der Transistor die Leitfähigkeit seines Materials, wenn eine positive Spannung vorhanden ist. Im Folgenden sind acht spezifische Merkmale von Transistoren aufgeführt, die sich von denen von Relais unterscheiden:
- • Sie sind viel schneller als Relais. Die Schaltfenster liegen in der Regel im Nanosekundenbereich (10-9 Sekunden), was um viele Größenordnungen schneller ist als bei vergleichbaren Relais.
- • Transistoren können als analoge Komponenten fungieren, was eine Signalverstärkung ermöglicht.
- • Sie sind viel kleiner als vergleichbare Relais.
- • Transistoren sind leise und zeigen nicht an, wenn sie aktiviert sind.
- • Ein Transistor kann verwendet werden, um einem Signal zu gestatten, eine größere Last zu schalten, ist aber nicht völlig unabhängig. Designer müssen mehr über die geschaltete Komponente wissen als bei Verwendung eines Relais.
- • Ein Transistor muss richtig spezifiziert werden, wohingegen Relais eine große Auswahl von Stromarten tolerieren können.
- • Transistoren sind preiswert.
- • Ein Transistor kann nicht mit Wechselspannung verwendet werden.
Ähnliche elektronische Komponenten
Transistoren und Relais haben üblicherweise praktisch unendliche Anwendungsmöglichkeiten, aber diese speziellen Lösungen führen ähnliche Aufgaben aus.
- • Halbleiterrelais: Eine Art Hybrid zwischen einem herkömmlichen Relais und einem Transistor. Diese Relais schalten eine Last mittels einer von Steuerschaltkreis aktivierten LED. Die LED aktiviert einen lichtaktivierten MOSFET, der die Last steuert. Diese Komponenten sind leise, schalten in einer Millisekunde oder weniger und sind zuverlässiger als herkömmliche Relais.
- • Schütze: Schützrelais sind für das Schalten großer Ströme optimiert, wie z.B. das Starten von Elektromotoren. Diese Komponenten besitzen meist nur NO-Kontakte.
- • TRIAC: Englische Abkürzung für „Triode for Alternating Current“ (Deutsch: Triode für Wechselstrom bzw. Zweirichtungs-Thyristortriode oder Symistor). Ein TRIAC ist eine Halbleiterkomponente, die den Stromfluss in jede Richtung durch zwei Hauptanschlüsse ermöglicht. Diese Komponenten werden durch einen Gate-Pin aktiviert.
- • Computerchips: Auch wenn man nicht seine eigene Rechnervorrichtung von Grund auf entwickeln will, ist es erwähnenswert, dass diese Chips Milliarden von Transistoren in einem Gehäuse verpacken, das problemlos in die Handfläche passt. Sie sind ein Wunderwerk der Miniaturisierung.
Wann Relais und Transistoren verwendet werden
Bei sehr hohen oder unbekannten Lasten stellt ein Relais die beste und praktischste Option dar. Entscheiden Sie sich für einen Transistor bei kleineren Lasten, wenn der Stromverbrauch von Wichtigkeit ist oder auch wenn Sie Millionen oder Milliarden Male schalten müssen. Bei speziellen Lösungen bieten die zusätzlichen beschriebenen Komponenten weitere Möglichkeiten.
Ein umsichtiger Ingenieur beurteilt die von ihm gewählten Komponenten und Verfahren von Zeit zu Zeit neu. Möglicherweise ist für Ihre Anwendung ein Halbleiterrelais nicht verfügbar oder zu teuer. Oder vielleicht versucht ein Kunde immer wieder, eine ungeeignete Last von Ihrem Transistorausgang zu steuern. Ungeachtet dessen, worin Ihre Herausforderung besteht – denken Sie daran, dass die für Sie perfekte Lösung möglicherweise nicht das Standardinstrument ist, auf das Sie sich bisher immer verlassen haben.