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Autorelays funktionieren im Grunde wie elektromagnetische Schalter, die es kleinen Signalspannungen ermöglichen, große elektrische Lasten sicher zu steuern. Stellen Sie sich vor, jemand schaltet die Scheinwerfer ein oder startet die Kraftstoffpumpe – normalerweise wird ein Signal von 5 bis 12 Volt an die Kupferspule im Relay weitergeleitet. Dadurch entsteht ein magnetisches Feld, das die beweglichen Teile im Relay betätigt. Der bewegliche Teil (Anker genannt) verbindet oder trennt dann die Kontakte im Inneren und schließt oder unterbricht dadurch den benötigten Stromkreis. Das Clevere an diesem System ist, dass es ermöglicht, große Verbraucher über kleine Schalter an der Konsole zu steuern, ohne dass diese direkt mit der gefährlichen Stromstärke belastet werden. Die meisten Mechaniker würden bestätigen, dass diese Technik seit Jahrzehnten verhindert, dass Fahrzeuge durch elektrische Kurzschlüsse Feuer fangen.
Vier wesentliche Komponenten arbeiten zusammen, um eine zuverlässige Schaltfunktion zu ermöglichen:
| CompoNent | Funktion |
|---|---|
| Spule | Erzeugt bei Stromfluss ein magnetisches Feld |
| Anker | Bewegung zum Verbinden oder Trennen der Kontakte |
| Kontaktpersonen | Leitet Strom, wenn geschlossen (normalerweise geöffnet) |
| Anschlüsse | Anschluss an Steuerkreis und Lastkreis |
Die Spule (Anschlüsse 85/86) und die Kontaktsätze (Anschlüsse 30/87) sind elektrisch voneinander isoliert, wodurch sichergestellt wird, dass stromintensive Verbraucher die empfindlichen Steuersysteme nicht stören.
Die Isolationsfunktion schützt tatsächlich wichtige elektronische Komponenten, einschließlich Motorsteuergeräte (ECUs) und Antriebssteuermodule (PCMs), vor gefährlichen Spannungsspitzen und jenen lästigen induktiven Rückstößen, die wir alle kennen und die schwerwiegende Schäden verursachen können. Wenn es darum geht, Lasten von etwa 40 Ampere zu steuern, während für die Steuerung weniger als 1 Ampere benötigt werden, leisten Relais gleichzeitig mehrere wichtige Funktionen hervorragend. Sie verhindern, dass Schalter beim plötzlichen Ausschalten überspringen, wodurch langfristig Kosten für Ersatzteile gespart werden. Zudem vereinfachen sie die Verkabelung erheblich, da im gesamten System weniger Verbindungen erforderlich sind. Das bedeutet auch eine verbesserte Gesamtzuverlässigkeit. Nehmen wir beispielsweise moderne Fahrzeuge mit computergesteuerten Systemen wie Kraftstoffeinspritzdüsen oder intelligente Scheinwerfer. Relais fungieren hier als entscheidende Schnittstelle, die die empfindlichen Niederspannungsschaltungen innerhalb der Computer mit den leistungsstarken Bauteilen verbindet, die viel Strom benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Ohne sie würden unsere Autos nicht annähernd so reibungslos und sicher laufen, wie sie es heute tun.
Relais ermöglichen es grundsätzlich, kleine Stromkreise, wie man sie auf Armaturenbrettern mit Schaltern findet, große Stromverbraucher wie Scheinwerfer oder Anlassermotoren zu steuern. Stellen Sie es sich so vor: Nur 0,5 Ampere Eingangsstrom können tatsächlich etwas schalten, das über 30 Ampere zieht. Was bedeutet das? Hersteller müssen schwere Kabel nicht über die gesamte Länge vom Innenraum des Fahrzeugs bis unter die Motorhaube führen. Das Ergebnis? Das Fahrzeug wird auch leichter. Schätzungen zufolge sinkt das Gewicht in bestimmten Fahrzeugbereichen um etwa 15 %, in denen diese Relais eingesetzt werden. Und was ist das Beste daran? Die Leistung leidet trotz des Gewichtsverlusts überhaupt nicht.
Indem sie Steuer- und Leistungskreise physisch voneinander trennen, schützen Relais empfindliche Elektronik vor elektrischem Rauschen und Spannungsspitzen. Laut einer Studie aus dem Jahr 2023 reduziert diese Isolierung elektrische Ausfälle der Kraftstoffpumpe um 62 % im Vergleich zu direktem Schaltung. Zudem vereinfachen zentrale Relaiskästen die Verteilung von elektrischer Energie, ersetzen mehrere parallele Verdrahtungswege durch geordnete und effiziente Routen.
Wenn man versucht, stromhungrige Komponenten wie Kühllüfter direkt über Schalter zu betreiben, führt dies zu Problemen mit großen, schweren Bauteilen, die für hohe Stromstärken ausgelegt sind und oft schnell verschleißen. Hier kommen Relais ins Spiel. Sie leiten den Stromfluss über eigene robuste Kontakte, wodurch die Schalttemperatur um rund 40 Grad Celsius gesenkt wird, wie eine Studie von Ponemon aus dem Jahr 2023 zeigte. Ein weiterer Vorteil ist, dass dünnere Leitungen mit einem Querschnitt von 18 bis 22 Gauge für die Steuersignale verwendet werden können. Dies schont die Schalter selbst und verlängert die Lebensdauer aller Komponenten, einschließlich der Leitungen im System.
Relais ermöglichen es, Beleuchtungssysteme mit nur geringer Eingangsleistung sicher zu steuern. Diese kleinen Geräte übernehmen die schwere Arbeit für Komponenten wie Scheinwerfer, die bis zu etwa 15 Ampere benötigen können, sowie auch die Bremslichter, sodass die dünnen Kabel im Lenkstock nicht überlastet werden. Die meisten modernen Fahrzeuge verwenden ein einzelnes Relais, um mehrere Außenbeleuchtungen gleichzeitig zu steuern. Dadurch wird die Menge an Kabeln reduziert, die durch den Fahrzeugkörper geführt werden müssen, und zwar zwischen 30 % und möglicherweise sogar der Hälfte aller Verbindungen, die sonst erforderlich wären. Ein weiterer Vorteil besteht darin, lästige Funken zu vermeiden, die entstehen, wenn Blinker über einen längeren Zeitraum ein- und ausgeschaltet werden. Mechaniker betonen immer wieder, dass diese einfache Designentscheidung einen großen Unterschied dabei macht, wie lange diese Komponenten halten, bevor sie ausgetauscht werden müssen.
Systeme, die viel Leistung benötigen, sind darauf angewiesen, Relais zur Steuerung dieser hohen Ströme einzusetzen, die ungefähr zwischen 20 und 40 Ampere liegen. Als Beispiel seien Kraftstoffpumpenrelais genannt, die nur aktiviert werden, wenn das Fahrzeug gestartet oder beim Kurbeln. Dies verhindert, was Mechaniker als Trockenlauf bezeichnen, der laut einigen Studien für etwa 74 Prozent aller vorzeitigen Pumpenschäden verantwortlich ist (Das Ponemon Institute berichtete darüber im Jahr 2022). Beim Thema Kühlerlüfterrelais reagieren diese kleinen, aber leistungsfähigen Helfer äußerst schnell auf Signale der PCM bezüglich Temperaturveränderungen. Sie sorgen innerhalb von nur 2 bis 3 Sekunden dafür, dass die Lüfter sich drehen, und verhindern somit, dass der Motor überhitzt. Ganz zu schweigen von Anlasserrelais. Diese robusten Bauteile müssen während des Starts immense Stromspitzen bewältigen, die zwischen 150 und 200 Ampere liegen können. Ohne diese Relais würden Zündschalter ernsthaft gefährdet, beschädigt zu werden, und zwar aufgrund eines Phänomens namens Kontaktverschweißen, bei dem Metallteile durch übermäßige Hitze miteinander verschmelzen.
Moderne Relais übernehmen die Rolle von Arbeitstieren, die Anweisungen der PCM- und ECU-Systeme ausführen und dadurch zahlreiche intelligente Funktionen ermöglichen, wie z. B. das automatische Ausschalten der Scheinwerfer nach dem Parken oder eine temperaturgesteuerte Regelung, die sich an die jeweiligen Bedingungen anpasst. Diese Geräte wandeln die winzigen digitalen Signale von 5 Volt in Spannungen zwischen 12 und 48 Volt um, um verschiedene Komponenten im Fahrzeug mit Strom versorgen zu können. Die Automobilindustrie hat durch diese Technologie ebenfalls spürbare Vorteile erfahren. Hersteller berichten von einer Gewichtsreduktion von etwa 12 bis 18 Prozent bei Kabelbäumen, insbesondere in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Zudem gibt es noch einen weiteren, selten erwähnten, aber sehr wichtigen Vorteil: Moderne Relais ermöglichen eine gleichmäßigere und vorhersagbarere Verteilung der elektrischen Lasten über verschiedene Fahrzeugsysteme hinweg, wodurch Überlastungen verhindert und ein reibungsloser Gesamtbetrieb gewährleistet wird.
Eine Flottenanalyse aus 2023 ergab, dass 61 % der Überhitzungsvorfälle bei Limousinen auf defekte Kühlerrelais zurückzuführen waren. Kontakte, die in geöffneter Position stecken blieben, verhinderten die Aktivierung des Lüfters bei der Schwelle von 90 °C, wodurch die Kühlmitteltemperatur innerhalb von vier Minuten um 8–12 °C anstieg. Dieser anhaltende thermische Stress erhöhte die Ausfallrate der Zylinderkopfdichtungen um 300 % im Vergleich zu ordnungsgemäß gekühlten Motoren.
Auto-Relais gibt es in verschiedenen Ausführungen, je nachdem, wofür sie benötigt werden. Der SPST-Typ (Single-Pole Single-Throw) bietet eine einfache Ein- und Ausschaltfunktion, weshalb diese häufig eingesetzt werden, um beispielsweise Scheinwerfer und Kraftstoffpumpen in den meisten Fahrzeugen zu steuern. Dann gibt es das SPDT-Modell (Single-Pole Double-Throw), das über einen zusätzlichen Anschluss mit 87a gekennzeichnet ist. Dadurch kann zwischen zwei verschiedenen Stromkreisen umgeschaltet werden, was es ideal macht, um beispielsweise zwischen Fern- und Abblendlicht zu wechseln, während man nachts unterwegs ist. Für Systeme, bei denen mehrere Aktionen gleichzeitig stattfinden müssen, sind Doppel-Schaltrelais hervorragend geeignet, da sie zwei Stromkreise gleichzeitig aktivieren. Schließlich sorgen Zeitverzögerungsrelais für programmierbare Pausen innerhalb von Abläufen. Damit werden praktische Funktionen unterstützt, wie etwa das schrittweise Verlöschen der Lichter nach dem Verlassen des Fahrzeugs oder das intermittierende Wischen der Scheibenwischer bei leichtem Regen statt ständiger Bewegung.
Elektromechanische Relais funktionieren mit tatsächlichen beweglichen Teilen und Metallkontakten. Sie sind zudem recht erschwinglich, kosten in der Regel zwischen fünf und fünfzehn Dollar, halten jedoch nicht ewig, da die meisten nur etwa fünfzigtausend bis hunderttausend Schaltvorgänge aushalten, bevor sie verschleißen. Halbleiterrelais verfolgen einen anderen Ansatz, indem sie statt mechanischer Komponenten Halbleiter verwenden. Diese bieten eine deutlich schnellere Reaktion von unter einer Millisekunde, halten wesentlich länger als ihre elektromechanischen Pendants (typischerweise über fünfhunderttausend Schaltzyklen) und arbeiten vollständig geräuschlos, ohne jegliches Klicken. Der Nachteil? Sie kosten drei bis fünfmal mehr bei Anschaffung und benötigen bei hohen elektrischen Lasten oft zusätzliche Kühlmaßnahmen. Obwohl traditionelle elektromechanische Modelle nach wie vor viele Konstrukteure der Originalgerätehersteller dominieren, setzen wir zunehmend auf Halbleiteralternativen, die sich besonders in zukunftsorientierten Anwendungen wie dem Batteriemanagement von Elektrofahrzeugen rasch verbreiten, wo Zuverlässigkeit und leise Arbeitsweise besonders wichtig sind.
Standardisierte Anschlussnummerierung gewährleistet ein einheitliches Einbauverfahren:
Eine korrekte Verdrahtung ist für Sicherheit und Funktion entscheidend. Beispielsweise gewährleistet die direkte Verbindung des Anschlusses 30 mit einer gesicherten Batterieleitung eine stabile Stromversorgung, während der Anschluss 85 üblicherweise mit einem über das Armaturenbrett geerdeten Schalter verbunden ist. Falschverbindungen können zu Kurzschlüssen, geschmolzenen Bauteilen oder Relaisausfällen führen.
Wie verwenden Auto-Relais Elektromagnete?
Auto-Relais nutzen Elektromagnete, um elektrische Schaltungen zu steuern, indem sie es kleinen Steuersignalen ermöglichen, größere elektrische Verbraucher sicher zu schalten. Dies erfolgt durch ein Magnetfeld, das durch die Kupferspule des Relais erzeugt wird.
Was sind die Hauptkomponenten eines Auto-Relais?
Die Hauptkomponenten umfassen die Spule, den Anker, die Kontakte und die Anschlüsse, wobei jede Komponente eine entscheidende Rolle für einen zuverlässigen elektrischen Schaltvorgang innerhalb der Fahrzeug-Systeme spielt.
Warum sind Auto-Relais in modernen Fahrzeugen so wichtig?
Auto-Relais ermöglichen die Steuerung von stromintensiven Fahrzeug-Systemen durch leistungsschwache Steuersignale, bieten galvanische Trennung, schützen Schalter und Leitungen und lassen sich in die Stromverteilung sowie computerbasierte Automatisierungssysteme integrieren, um eine effiziente und sichere Fahrzeugfunktion zu gewährleisten.