„Relais“ – ein Top-Programm für einfache Relais-Schaltungen

Begeisternder Relais-Simulator für die Aus- und Weiterbildung

Das Fach Steuerungstechnik ist in vielen technischen Berufen Bestandteil der Ausbildung. Auszubildende lernen in diesem Fach beispielsweise, wie eine Selbsthaltung funktioniert oder Aktoren korrekt angesteuert werden. Dreh- und Angelpunkt solcher Schaltungen sind vielfach sogenannte Relais. Um derartige Schaltungen gefahrlos und in Echtzeit testen zu können, eignet sich bestens das Programm „Relais“ von Burkhard Brauer, mit dem Relais-Schaltungen sehr einfach erstellt und getestet werden können.

Relais werden in Waschmaschinen, Sicherungskästen, Kraftfahrzeugen oder Werkzeugmaschinen verwendet. Diese elektromagnetischen Schalter können Ströme bis rund 10 Ampere und Spannungen bis zu 230 V schalten.

Dank deren Robustheit und leichten Handhabung hat bereits Konrad Zuse diese Elektronik-Bausteine für seine Computer Z3, Z4 und Z11 verwendet. Derartigen Rechnern kann beim Arbeiten zugesehen werden, was für das Verständnis der Funktionsweise eines Computers von großem Wert ist.

Damit seine Rechner zuverlässig arbeiteten, hat Konrad Zuse damals dafür handverlesene und getestete Relais aus der Telefontechnik verwendet.

Funktionsweise eines Relais

Ein Relais besitzt eine Spule, in deren Mitte ein Weicheisenkern eingelassen ist. Wird die Spule nun von Strom durchflossen, wird vom sich aufbauenden Magnetfeld ein Kontaktblech, der sogenannte Anker, angezogen. An diesem Kontaktblech sind weitere Kontaktbleche befestigt, die zwangsweise mitbewegt werden und dabei Kontakte öffnen beziehungsweise schließen. Auf diese Weise werden Strompfade im Leistungsteil geöffnet (Öffner) beziehungsweise geschlossen (Schließer).

Relaisrechner machen durch das Öffnen und Schließen von Kontakten sehr anschaulich das Binärprinzip deutlich, das auf den Zahlen 0 und 1 fußt. In einem Relais ergibt sich durch eine 0 ein offener Kontakt, wodurch ein Stromfluss unterbrochen wird. Die Zahl 1 hingegen bedeutet einen geschlossenen Kontakt, durch den nun Strom fließen kann.

Dieses Prinzip ist auch in Lochstreifen, Kernspeichern sowie Lochkarten zu finden und lässt sich dazu nutzen, Daten zu speichern sowie Berechnungen durchzuführen.

Kennzeichnung eines Relais

Das Schaltzeichen für ein Relais ist ein simples Rechteck, dem links mit fortlaufender Nummer die Relaiskennziffer hinzugefügt wird, recht davon werden oben beziehungsweise unten die Bezeichnungen der Eingänge für den Erregerstrom eingetragen.

Relais besitzen für den Leistungsteil oft mehrere Öffner, Schließer oder Wechsler. Diese werden im Schaltplan mit dem entsprechenden Symbol sowie dem mit einer fortlaufenden Nummer versehenen Buchstaben „K“ kenntlich gemacht.

Schaltungsaufbau mit „Relais“

Das Programm „Relais“ kann direkt von der Homepage von Burkhard Brauer heruntergeladen werden. Nach dem Download liegt es als selbstentpackende Exe-Datei vor und kann per Doppelklick in ein beliebiges Verzeichnis entpackt werden. Der Programmstart erfolgt wiederum per Doppelklick auf „Relais.exe“. Alternativ kann eine Verknüpfung auf dem Windows-Desktop angelegt werden, was einen noch bequemeren Start des Programms erlaubt.

Nachdem das Programm gestartet wurde, präsentiert sich ein links angebrachtes Bedienfeld sowie ein noch leerer Zeichenbereich mit 30 Spalten.

Um nun Bauteile in den Zeichenbereich einzubauen, ist in der Auswahlbox das gewünschte Bauteil auszuwählen.

Anschließend wird das gewählte Bauteil per Mauszeiger auf einen Spaltenpunkt geschoben und per Linksklick dort verankert.

Nachdem das Bauteil platziert wurde, erscheint automatisch ein weiteres Fenster, in dem eine Nummer einzugeben ist, um das Bauteil korrekt zu bezeichnen. In diesem Fenster wird zwar von einem zugehörigen Schütz gesprochen, doch geht es hier um keine Zuordnung, sondern ausschließlich um die Bezeichnung des Bauteils.

Das Programm ergänzt die Nummern um passende, normgerechte Buchstaben. So werden Schalter und Taster mit dem Buchstaben „S“ ergänzt, während Relais den Buchstaben „K“ bekommen. Auf diese Weise ist ein korrekt aufgebauter Schaltplan rasch erstellt.

Wurde versehentlich ein falsches Bauteil eingebaut, so kann dieses durch Umschalten der Radio-Button-Reihe auf „Bauteil löschen“ sowie Linksklick auf das Bauteil gelöscht werden.

Simulation starten

Um in den Simulationsmodus umzuschalten, ist im Auswahlfeld „Simulation“ die Option „Start“ anzuwählen. Unmittelbar darauf berechnet das Programm, wie sich in der Ruhestellung der Schaltung die einzelnen Bauteile verhalten und welche Relais bereits mit Strom versorgt werden, somit aktiv sind. In diesem Beispiel ist bereits in der Ruhestellung das Relais „K2“ erregt, was durch die hellrote Farbe kenntlich gemacht wird. Das Relais „K1“ hingegen ist nicht stromdurchflossen, demnach nicht erregt, was mittels dunkelroter Farbe kenntlich gemacht wird.

Wird nun per linkem Mausklick der Taster „S1“ betätigt, so wird das Relais „K1“ mit Strom versorgt, sodass dieses erregt wird, was ebenfalls an der hellroten Farbe sichtbar wird.

Wird per linkem Mausklick hingegen der Taster „S2“ betätigt, so wird die Stromzufuhr zum Relais „K2“ unterbrochen, sodass dieses nicht mehr erregt ist, was wiederum durch die dunkelrote Farbe kenntlich gemacht wird.

Die in der Schaltung als „Schließer“ beziehungsweise „Öffner“ bezeichneten Bauteile sind in der Realität als Taster und Kippschalter ausgeführt. Zu beachten ist allerdings, dass es Taster auch als „Öffner“ zu kaufen gibt. In jedem Fall ist demnach das auf dem jeweiligen Bauteil eingearbeitete Symbol zu beachten, damit nicht ein Bauteil mit falscher Funktionsweise verwendet wird.

Eine Selbsthaltung aufbauen

Relais sind ideal geeignet, um sogenannte Selbsthaltungen aufzubauen. Das sind Schaltungen, die sich ein einmal anliegendes Signal solange merken, bis ein Gegensignal erzeugt beziehungsweise der Stromfluss unterbrochen wird. Dies wurde in nachfolgender Schaltung umgesetzt: Nachdem der Taster „S1“ betätigt wurde, wird das Relais „K1“ erregt, woraufhin ein Schließer von „K1“ geschlossen wird. Nun erfolgt der Stromfluss zum Relais auch direkt über den Schließer des Relais, sodass der Taster „S1“ nicht mehr weiter betätigt werden muss, um das Relais im erregten Zustand zu halten.

Eine Selbsthaltung kann genutzt werden, um einen Elektromotor oder eine Lampe dauerhaft einzuschalten. Derartige Schaltungen sind beispielsweise auch in Radios und Fernsehern zu finden, um die Geräte per Fernbedienung ein- und auszuschalten.

Um ein Gerät oder eine Lampe dauerhaft mit Strom zu versorgen, muss eine kleine Erweiterung der eben erstellten Schaltung vorgenommen werden. Es wird ein weiterer Schließer des Relais genutzt und an diesen Anschluss die Lampe, ein Motor oder ein anderes Bauteil angeschlossen. In diesem Beispiel ist dies eine Lampe.

Auf einem Relais sind in der Regel Symbole aufgedruckt, die Auskunft darüber geben, wie viele Öffner beziehungsweise Schließer das Relais besitzt. So kann sehr leicht ermittelt werden, ob das Modell für den geplanten Schaltungsaufbau geeignet ist.

Die Anschlüsse werden in der Regel mit Zahlen bezeichnet. Dadurch gibt es kein Rätselraten, welche Anschlüsse zur Umsetzung der gewünschten Funktion zu nutzen sind. Leider können diese Anschlussbezeichnungen nicht in die Schaltpläne von „Relais“ eingetragen werden, was den ansonsten sehr guten Eindruck dieses Simulationsprogramms ein wenig trübt. Behelfen kann man sich, indem die Schaltung nach dem Ausdrucken entsprechend von Hand ergänzt wird.

Anspruchsvolle Beispiele

Mit „Relais“ werden einige Beispiele mitgeliefert, die aufzeigen, dass mit diesem Programm sehr weitgehende Schaltungen möglich sind. So gibt es beispielsweise eine Blinker-Schaltung, die mit zwei ein- und ausschaltverzögerten Zeitrelais arbeitet, wobei die Verzögerungszeiten in einem eigenen Fenster eingegeben werden können.

Sehr interessant ist auch eine sogenannte Wende-Schützschaltung, mit der es möglich ist, die Drehrichtung eines Drehstrommotors zu ändern. In diesem Beispiel werden Lampen verwendet, die optisch demonstrieren, dass sich ein Motor nun andersherum wie zuvor dreht.

Die erstellten Schaltpläne lassen sich anschließend mit echten Relais auf Steckbrettern aufbauen und testen.

Und wer sich dafür interessiert, wie damals Konrad Zuse seine Relais-Schaltung für seine Rechner aufbaute, kann auch dies ebenfalls mit dem Simulator machen! Ein einfaches Beispiel zum Addieren von Zahlen zwischen 1 und 3 könnte wie folgt aussehen:

Dabei übernehmen die Taster S1 bis S3 die Funktion der Zahlentasten eins bis drei, während die Tasten S4 und S5 für die Enter-Funktion beziehungsweise Reset-Funktion zuständig sind. Das Ergebnis wird mit Lampen angezeigt, wobei die Lampe H1 für der Wert 1 und folglich die Lampe H5 für den Wert 5 steht.

Werden nacheinander die Tasten S1 und S3 betätigt, passiert noch nichts, jedoch werden die entsprechenden Relais erregt und schalten daher um, was der Simulator anzeigt. Wird anschließend die Taste S4 betätigt (Enter), so wird das Ergebnis der Multiplikation von 1+3 berechnet, weshalb nun die Lampe H4 aufleuchtet, die den Wert 4 repräsentiert.

Über die Taste S5 wird ein Reset durchgeführt, wodurch eine neue Berechnung vorgenommen werden kann. Übrigens ist die Schaltung so aufgebaut, dass zu einer einzelnen Zahl stets der Wert 0 hinzuaddiert wird, weshalb das Betätigen beispielsweise der Tasten S1 und S4 als Ergebnis die Lampe H1 aufleuchten lässt, die die Zahl 1 repräsentiert.

Somit zeigt sich, dass das Programm „Relais“ sich sehr gut für die Ausbildung eignet, zumal es als sogenannte „Stickware“ von einem USB-Stick geladen werden kann, um es im Unterricht zu nutzen.

Wer will, kann mit nachfolgendem Button den Plus-Rechner herunterladen und diesen weiter ausbauen. Dies ist sehr reizvoll, zumal sich dieser Rechner nach korrekt durchlaufener Simulation anschließend problemlos real aufbauen lässt. Es muss ja nicht gleich ein Bolide mit den Abmessungen einer Z11 sein.

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