PCB-Relais: Funktionsprinzipien und Designhandbuch

Sicherheit ist in der Unterhaltungselektronik sehr wichtig. Und ohne Leiterplatte funktioniert jedes elektronische Gerät nicht. Um den Strom zu steuern und die Bauteile auf einer Leiterplatte zu schützen, verwenden Leiterplattenhersteller Leiterplattenrelais. Ein Leiterplattenrelais folgt Spannungs- und Strommustern, um die Verbindung zu unterbrechen oder herzustellen.

Die Frage ist nun: Was ist ein Leiterplattenrelais? Wie kann ein normaler Leser die grundlegenden Konzepte verstehen? In diesem Artikel erfahren Sie alles Wissenswerte über Leiterplattenrelais, ihre Bedeutung und ihre Typen.

Was ist ein PCB-Relais?

Leiterplatten fungieren als elektromagnetische Geräte zur Steuerung der Stromversorgung. Sie werden direkt auf Leiterplatten montiert, um das Schalten von Lasten zu regulieren. Folglich steuert es die Stromkreise mit höherer Spannung über ein Steuersignal mit niedrigerer Leistung.

Relais werden üblicherweise mit fünf Anschlussarten konstruiert. Dazu gehören die Anschlüsse N/C (Öffner) und N/O (Öffner). Der Hersteller befestigt die elektromagnetischen Komponenten entlang des beweglichen Metallarms an Leiterplattenrelais.

Wenn der Hersteller Strom durch diesen Metallarm leitet, entsteht auf der Platine ein Magnetfeld. Dadurch kann sich der Arm entweder zum Öffner- oder zum Schließeranschluss bewegen. Dies ist ein einfacher Mechanismus, der die Hochspannungsschaltung jedoch effizient bewältigt.

Sie eliminieren die Gefahr von Hochspannungsspitzen in Stromversorgungssystemen. Sie werden häufig in der Industrie eingesetzt. Dort sind langlebige Eigenschaften und zuverlässige Leistung gefragt. Beispiele hierfür sind Maschinenanwendungen, Stromversorgungssysteme, Automobil- und Telekommunikationsgeräte.

Funktionen und Typen von PCB-Relais

Unterhaltungselektronik benötigt leistungsstarke Platinenbaugruppen, um den Spannungsdruck zu bewältigen. Daher zählen PCB-Relais zu den zuverlässigsten Komponenten. Sie helfen bei der Steuerung des Stromflusses.

Merkmale von PCB-Relais

Das Relais von Leiterplatten weist einzigartige Merkmale auf. Dies kann die Leistung von Schaltungen beeinträchtigen. Verbraucher sollten die besten Relais anhand ihrer Eigenschaften auswählen.

●      Galvanische Isolierung

●      Kompakte Größe

●      Hohe Haltbarkeit

●      Schnelles Umschalten

●      Geringer Stromverbrauch

●      Vielseitigkeit

Galvanische Isolierung

Die Relais für Leiterplatten bieten galvanische Trennung. Sie können sie nutzen, um den Stromkreis oder die Baugruppen zu isolieren, sodass die Stromversorgung zwischen Nieder- und Hochspannung umschalten kann. Dies trägt dazu bei, die Konnektivität der Leiterplatte vom Stromfluss zu trennen. Darüber hinaus verringert es das Risiko von Stromschlägen und Schäden. Sie erhalten Sicherheitsmaßnahmen für Ihr Projekt.

Kompakte Größe

Elektronische Geräte benötigen kompakte Komponenten, um wertvollen Platz zu sparen. In diesem Fall machen die PCB-Relais zusätzlichen Platz überflüssig, da sie direkt auf der Platine liegen.

Hohe Haltbarkeit

Die hohe Stromgeschwindigkeit in großen Teilen von Maschinen oder anderen Geräten erfordert zuverlässige Schalttafeln. Die Leiterplattenrelais erfüllen die Zuverlässigkeitskriterien der Verbraucher. Die Ingenieure bevorzugten diese Relais, um die Haltbarkeit ihrer Projekte zu erhöhen. Diese Relais helfen ihnen, mechanische Belastungen und kritische Stromversorgungssysteme zu kontrollieren.

Schnelles Umschalten

Schwere Maschinen und elektrische Verbrauchergeräte erfordern manchmal schnelles Schalten für eine schnelle Reaktion. Diese Relais sind eine hervorragende Wahl, um diese Kriterien für schnelles Schalten zu erfüllen.

Geringer Stromverbrauch

Das häufigste Merkmal von PCB-Relais ist, dass sie keine zusätzliche Stromversorgung benötigen. Wie wir wissen, benötigt der bewegliche Arm von Relais keinen Strom, wenn er nicht betätigt wird.

Vielseitigkeit

PCB-Relais erfüllen unterschiedliche Funktionen in verschiedenen Anwendungen. Sie können in verschiedenen mechanischen Teilen, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Industriekomponenten eingesetzt werden.

Arten von PCB-Relais

Die verschiedenen PCB-Relais sind auf dem Markt leicht erhältlich. Sie funktionieren bei verschiedenen Projekten unterschiedlich.

●      Elektromechanische Relais (EMRs)

●      Halbleiterrelais (SSRs)

●      Reed-Relais

●      Verriegelungsrelais

●      PCB-Leistungsrelais

Elektromechanische Relais (EMRs)

Elektromechanische Relais sind der gebräuchlichste Typ. Sie bestehen aus einem Elektromagneten und einem mechanischen Metallarm. Der Hersteller stellt die Stromversorgung zur Erzeugung der Magnetkontakte bereit. Anschließend schaltet der Anker den Stromfluss zwischen offenen und geschlossenen Anschlüssen um. Elektromechanische Relais zeichnen sich durch Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aus. Dies trägt dazu bei, die hohe Belastung von Stromversorgungssystemen aufrechtzuerhalten.

Halbleiterrelais (SSRs)

Halbleiterrelais enthalten Halbleiter zur Handhabung der Schaltungslasten anstelle beweglicher Kontakte.

Dieses PCB-Relais bietet schnelle Schaltleistungen. Es erhöht die Lebensdauer von Produkten durch gute Beständigkeit gegen mechanischen Verschleiß. Im Gegensatz zu EMRs ist es jedoch teuer.

Reed-Relais

Reed-Relais bestehen aus einem Paar magnetischer Reeds. Diese sind in einem Glasrohr eingeschlossen. Die Hersteller übertragen den Stromfluss, um magnetische Umrandungen auf den Platinen zu erzeugen. Anschließend werden alle Reeds befestigt, um den Stromfluss zu lenken. Wenn Sie besonders empfindliche Relais suchen, wählen Sie Reed-Relais. Sie sind jedoch nicht für Produkte mit hoher Belastung geeignet.

Verriegelungsrelais

Stromstoßrelais sind eine Unterart elektromechanischer Relais. Sie werden häufig eingesetzt, um Energie zu sparen, da sie keine kontinuierliche Stromversorgung benötigen. Sie verbrauchen lediglich Energie zur Stromversorgung. 

PCB-Leistungsrelais

Die PCB-Leistungsrelais steuern effektiv die hohen Spannungen von Stromlasten. Sie bewältigen die wesentlichen Belastungsdrücke in Hochleistungsprodukten. Diese Relais sind für Stromverteilungssysteme, Industriebereiche oder Schwermaschinen konzipiert.

Wie Do PCB-Relais funktionieren

Das Personal sollte den internen Mechanismus und die Funktionsweise von PCB-Relais kennen. Dies hilft ihnen, die Bedeutung dieses Bauteils auf Leiterplatten zu verstehen. Es enthält die elektromagnetische Spule, die Anschlüsse und die Ankerbaugruppe. Diese dient zur Übertragung der Stromversorgung. Sie ermöglichen es den Platinen, Stromkreise zu öffnen oder zu schließen.

Arbeitsmechanismus

PCB-Relais sind für den elektrischen Schaltbetrieb konzipiert. Wie bereits erwähnt, steuern sie den Stromfluss. Die mechanische Bearbeitung umfasst mehrere Schritte: 

●      Elektromagnetische Aktivierung

●      Entstehung magnetischer Felder

●      Aktion wechseln

●      Zurück zum Ausgangszustand

Elektromagnetische Aktivierung

Die Hersteller aktivieren den Elektromagneten. Sie liefern die geringe Leistung. Diese Stromstärke versorgt die Spule mit Strom.

Entstehung magnetischer Felder

Wenn die Stromlast durch die Spule übertragen wird, entsteht ein Magnetfeld. Dieses Feld zieht den Anker (Metallarm) zum gegenüberliegenden Anschluss.

Aktion wechseln

Ein fließender Strom löst den beweglichen Teil des Relais aus. Dieser Arm kommt entweder mit der Unterbrechung (NC) in Kontakt oder stellt eine (NO) Position zum Schalten der Leiterplatten her.

●      NC (normalerweise geschlossen): In dieser Position bleibt der Relaiskontakt standardmäßig geschlossen. Die Aktivierung erfolgt durch die Übertragung der Spannung in das Relais.

●      NO (normalerweise offen): Dieser Schaltvorgang bleibt solange bestehen, bis das Relais aktiviert wird. Der Hersteller schließt diesen Kontakt durch Anlegen der Stromversorgung.

Zurück zum Ausgangszustand

Nach dem Entfernen des Steuersignals kehrt der bewegliche Arm des Relais in seinen Ausgangszustand zurück. Dadurch wird der Stromfluss gestoppt und das Magnetfeld unterbrochen.

Über PCBasic

Zeit ist Geld in Ihren Projekten – und PCBasic versteht es. PCPlug-and-Play-Betrieb ist eine Unternehmen für Leiterplattenbestückung das jedes Mal schnelle, einwandfreie Ergebnisse liefert. Unsere umfassende PCB-Bestückungsdienstleistungen Wir bieten Ihnen bei jedem Schritt kompetente technische Unterstützung und gewährleisten so höchste Qualität bei jedem Board. Als führender Hersteller von Leiterplattenbestückungen, Wir bieten eine Komplettlösung, die Ihre Lieferkette optimiert. Arbeiten Sie mit unseren fortschrittlichen PCB-Prototypenfabrik für schnelle Bearbeitungszeiten und hervorragende Ergebnisse, auf die Sie sich verlassen können.

Integration mit Leiterplatten

Die Ingenieure entwerfen die Relais der Leiterplatte so, dass sie perfekt als Bestandteil der Platine passen. Sie verbessern die Funktionsfähigkeit und Leistung der Schaltungen. Die Integration von Relais in die Leiterplattenmontage umfasst jedoch:

●      Montageart

●      Elektrische Anschlüsse

●      Benutzerdefinierte Konfigurationen

Montageart

Sie können die Leiterplattenrelais mithilfe von zwei Hauptmontagearten integrieren. Diese Methoden sind:

●      Durchsteckmontage (THT)

●      Oberflächenmontagetechnik (SMT)

Durchgangsloch-Technologie (THT)

Die Ingenieure stecken die Relaisstifte bei der Durchsteckmontage in vorgebohrte Löcher auf Leiterplatten. Sie löten die Stifte auf die Kupferoberflächen der Platine. Dies ist eine sichere und effektive Technologie. Sie trägt zur Stabilisierung der mechanischen Verbindungen bei. Die Mitarbeiter finden diese Methode vorteilhaft für Hochleistungsanwendungen.

Oberflächenmontagetechnik (SMT)

Bei der SMT-Technik werden die Relaisstifte auf die Oberfläche der Kupferplatten der Leiterplatte gelötet. Diese Technik eignet sich für den Aufbau von Anwendungen mit leichten Komponenten und kompakter Bauweise.

Elektrische Anschlüsse

Der Ingenieur verbindet die Relais mit anderen Teilen der Leiterplatte. Dadurch werden die Relais funktionsfähig. Er verbindet sie über die leitfähigen Oberflächen und Pads auf den Platinenbaugruppen. Diese Leiterbahnen bilden dann den Leiterbahnpfad für die Interaktion der Relais mit Sensoren. Zusätzlich stellen sie den Kontakt zwischen Relais, Netzteilen und Ausgabegeräten her. 

Benutzerdefinierte Konfigurationen

Sie können die PCB-Relais auf Platinen entsprechend dem Design der Platinen verwalten oder anschließen. Diese benutzerdefinierten Konfigurationen ermöglichen die Steuerung verschiedener Geräte oder Platinenteile mit einer einzigen Leistungssteuerung. Dies ist nützlich beim Aufbau komplexer elektrischer Systeme.

Überlegungen zum PCB-Relais-Design

Um effektive Leiterplatten zu entwerfen, sollten Sie einige wichtige Faktoren berücksichtigen.

Grundlegende Designanforderungen

Ermitteln Sie die Anforderungen der Verbraucher an das didaktische Design. Wählen Sie Relais, die diese Anforderungen problemlos erfüllen, ohne die Designfunktionalität einzuschränken.

●      Spannungs- und Stromwerte

●      Lasttyp

●      Schaltgeschwindigkeit

●      Größenbeschränkungen

●      Energieverbrauch

●      Umweltfaktoren

Nennspannung und Nennstrom

Die Spannungs- und Stromstärke sind die ersten zu berücksichtigenden Faktoren. Die falsche Wahl der Spannungslast kann den Stromfluss unterbrechen und die Relais beschädigen.

Lasttyp

Die Last kann unterschiedlicher Art sein. Sie kann ohmsch, induktiv oder kapazitiv sein. Daher kann eine nachlässige Lastauswahl zu Leistungseinbußen führen. Beispielsweise erfordern Lasten für Hochleistungsteile spezielle Relaisfunktionen. 

Schaltgeschwindigkeit

Die Schaltgeschwindigkeit von Relais kann nicht für alle Anwendungsarten gleich sein. Einige Produkte mit geringerer Belastung benötigen eine einfache Geschwindigkeit. Schwere Maschinen, Industriekomponenten und Teile mit hohem Energieverbrauch erfordern jedoch eine schnelle Schaltreaktion.

Größenbeschränkungen

Die Größe ist ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung von PCB-Relais. Einige elektrische Geräte werden mit kompakten Relais konstruiert, um den Platzbedarf zu reduzieren.

Energieverbrauch

Wir können die Produkte nicht durch Anbringen beliebiger Leistungsrelais zusammenbauen. Es wird immer empfohlen, Relais mit einem geringeren Energieverbrauch zu wählen, um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.

Umweltfaktoren

Die Geräte, die Außenumgebungen, Hitze, Druck oder Feuchtigkeit ausgesetzt sind, benötigen Relais mit guten Umweltsicherheitsbewertungen.

Tipps und Techniken zur Montage von PCB-Relais

Nach der Auslegung sollten sich Hersteller auf die Montagetechniken konzentrieren. Hier sind einige wichtige Tipps, die die Zuverlässigkeit von Relais verbessern können:

●      Verwenden Sie den richtigen Fußabdruck

●      Wärmemanagement

●      Lötqualität

●      Angebote

●      Mechanische Beanspruchung

Verwenden Sie den richtigen Fußabdruck

Der richtige Footprint erleichtert die Montage von Relais auf Leiterplatten. Er ermöglicht eine sichere Befestigung der Pins an den Kupferbahnen.

Wärmemanagement

Der Hersteller verwendet Wärmeableitungstechniken für wärmeempfindliche Produkte. Er kann Kühlkörper hinzufügen, um die Wärmeentwicklung während des Relaisbetriebs zu vermeiden.

Lötqualität

Löten Sie die Relaisstifte präzise auf die Platinenoberfläche. So verhindern Sie, dass die Stromübertragung unterbrochen wird und die Leistung des Stromsystems beeinträchtigt wird.

Angebote

Während des Durchsteckmontageprozesses sollte der Ingenieur die unerwünschten Komponenten entfernen, um die mechanischen Eigenschaften der Relais zu stabilisieren.

Mechanische Beanspruchung

Vermeiden Sie bei der Montage der Relaisstifte übermäßige mechanische Belastungen. Dies kann sich auf die anderen Komponenten auswirken und die Relais mit der Zeit beschädigen.

Designprozess

Das Design von PCB-Relais kann in jedem Layout angepasst werden. Ingenieure sollten jedoch einige grundlegende Elemente berücksichtigen. Diese Elemente bestehen aus Relaisteilen. Sie ermöglichen die Funktionalität von Schaltkreisen.

●      Schaltungsentwurf

●      PCB-Layout-Design

●      PCB-Herstellung

●      Komponentenbaugruppe

●      Tests

●      Programmierung

●      Abschließende Prüfung

Schaltungsentwurf

Das Schaltungsdesign von Leiterplattenrelais hängt von der Spannungsbelastung der Produkte ab. Wählen Sie einen Steuereingang, der eine bestimmte Spannung verarbeiten kann. Dies kann ein Mikrocontroller oder eine variable Spannung sein.

Passen Sie die Relaisspulenspannung an die Steuersignalspannung an. Denken Sie außerdem an Schutzelemente wie eine Freilaufdiode oder eine Überspannungsschutzschaltung. Dies verhindert Schäden und Stromschläge.

PCB-Layout-Design

Bitten Sie Ihre Ingenieure, das passende Layout der Leiterplatte vorzubereiten. Der Relais-Footprint sollte ausreichend Platz zum Löten der Elemente bieten. Die Leiterbahnbreite der Leiterplatte ist ausreichend, um Hochspannungsströme problemlos zu verarbeiten.

Darüber hinaus sollten die Leiterplattenlayouts isolierte Barrieren enthalten. Diese Barrieren trennen die Hochspannungs- und Niederspannungskomponenten. Das Relais sollte nicht näher an Wärmeableitungs- und empfindlichen Elementen platziert werden, damit es die anderen Bauteile nicht unterbricht.

PCB-Herstellung

Arbeiten Sie mit zuverlässigen Herstellern zusammen, um die Leiterplattenrelais herzustellen. Sie können die Toleranzanforderungen festlegen. Dazu gehören:

●      Ebenenausrichtung zum präzisen Anbringen mehrerer Ebenen.

●      Die Kupferdicke kann die Haltbarkeit von Anwendungen erhöhen. Wählen Sie zwischen 1 oz und 2 oz.

●      Informieren Sie sie über die minimale Leiterbahnbreite und den minimalen Abstand aller Schaltungskomponenten.

●      Durch die Technologie ist die Größe des Rings wichtig.

Komponentenbaugruppe

Die Montage der Relais auf der Leiterplatte erfolgt im THT- oder SMT-Bestückungsverfahren. Automatisiertes Löten wird bei der Durchsteckmontage eingesetzt. Ebenso kommt bei der Oberflächenmontage das Reflow-Löten zum Einsatz.

Tests

Führen Sie die Testschritte durch, um die Funktionalität der Schaltungen zu überprüfen. Stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen Komponenten mit der Platine verbunden sind. Führen Sie den Testvorgang unter Einhaltung der Sicherheitsvorkehrungen durch.

Programmierung

Die Software wird mit Code geschrieben, wenn die PCB-Relais mit mikrocontrollergesteuerten Systemen aufgebaut sind. Sie steuert die Relaisverbindungen und wird auf den GPIO-Pins des Controllers platziert.

Abschließende Prüfung

Überprüfen Sie die Funktionsfähigkeit der Platine, um sie für den Einsatz in Verbraucheranwendungen weiterzuleiten. Die Leiterplatten sollten alle Tests bestehen. Dies kann Stromfluss, Schalter, mechanische Belastbarkeit, Hochdruckbelastungen usw. betreffen. 

Anwendungen von PCB-Relais

●      Automotive Systems

●      Industrial Automation

●      Telekommunikation

●      Energiesysteme

●      Consumer Elektronik

●      Medizintechnik

●      Erneuerbare Energiesysteme

●      Security Systems

●      Home Automation

Automotive Systems

PCBS-Relais werden in Automobilsystemen zur Handhabung einfacher bis kritischer Stromlasten eingesetzt. Zu ihren Anwendungsbereichen gehören Scheinwerfersteuerung, elektrische Fensterheber, Zündsysteme und Kraftstoffpumpen.

Industrial Automation

Die industrielle Anwendung benötigt PCB-Relais zur Steuerung komplexer Systeme. Sie helfen bei der Steuerung von Hochdrucklasten und ermöglichen präzise Operationen. Zum Beispiel Motoren, Förderbänder und automatisierte Maschinen

Telekommunikation

In Telekommunikationsgeräten übertragen Relais Kommunikationssignale. Router, Modems und Signalverteilungssysteme sind die häufigsten Anwendungen. Dabei werden PCB-Relais für einen reibungslosen Betrieb eingesetzt.

Energiesysteme

PCB-Relais regeln die Stromverteilungs- und Schutzsysteme in Transformatoren, Leistungsschaltern und anderen Stromsteuergeräten.

Consumer Elektronik

In Waschmaschinen, Klimaanlagen, Kühlschränken und allen anderen Haushaltsgeräten sind PCB-Relais verbaut. Sie regeln die Stromversorgung und sorgen für die Sicherheit von Motoren, Heizelementen und Kompressoren.

Medizintechnik

Medizinische Geräte nutzen PCB-Relais für präzise Leistung und Patientensicherheit. Beispiele hierfür sind Diagnosegeräte, Monitore und automatisierte Laborsysteme.

Erneuerbare Energiesysteme

Hersteller platzieren Relais in den Leiterplatten, um Stromspitzen zu kontrollieren und empfindliche Teile von Systemen für erneuerbare Energien zu schützen. Zu diesen Teilen zählen Wechselrichter, Batterieladesysteme und Stromnetze.

Security Systems

Diese Relais werden häufig in Alarmanlagen, Überwachungsgeräten, Kameras und Türschlössern eingesetzt. Sie steuern die kritischen Anwendungssysteme.

Home Automation

PCB-Relais eignen sich besser zum Schalten von niedrigen bis hohen Leistungen in Hausautomationsgeräten. Sie verbessern den automatischen Betrieb von Beleuchtung, HLK-Systemen und Haushaltsgeräten.

Fazit:

Der Spannungsfluss, ob niedrig oder hoch, kann über Leiterplattenrelais gesteuert werden. Diese Relais verbessern die Produktleistung und gewährleisten einen sicheren Betrieb. Es handelt sich um eine einfache Technik zum Umschalten der Stromversorgung zwischen Schließer und Öffner. Leiterplattenrelais gibt es in verschiedenen Ausführungen und Typen. Treffen Sie beim Entwerfen oder Herstellen Ihrer eigenen Leiterplattenrelais eine sorgfältige Wahl.