Eine Lichtschranke (englisch: photo electric sensor) ist ein elektronisch-optisches System, welches aus einer Licht- bzw. Infrarot-Strahlungsquelle (Sender) und einem Sensor (Empfänger) für diese Strahlung besteht. Zweck ist die Erkennung der Unterbrechung des Lichtstrahls.

Der Sender kann eine Glühlampe (heute jedoch nicht mehr Stand der Technik), eine Infrarotstrahlung oder eine Licht abgebende Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein. Der Empfänger ist meist ein Fototransistor.

Das Funktionsprinzip einer Lichtschranke besteht darin, die durch ein Objekt hervorgerufene Unterbrechung des Lichtweges mit dem Sensor zu registrieren und in meist elektrische Schaltsignale umzuwandeln, welche zur weiteren Verarbeitung geeignet sind.

Um eine Lichtschranke unempfindlich gegenüber Fremdlicht zu machen, wird die Strahlung oft moduliert, um sie vom Umgebungslicht unterscheiden zu können. Zusätzlich kann ein Infrarotfilter vor dem Empfänger verbaut sein, um Tageslicht abzuschirmen.

Die Reichweite kann erhöht werden, indem Sender, Empfänger oder beide mit einer bündelnden Sammellinse versehen werden. Oft haben die Bauteile (Fototransistor und Leuchtdiode) selbst bereits ein bündelndes und Tageslicht herausfilterndes Plastikgehäuse.

Man unterscheidet zwischen Einweg-Lichtschranken und Reflexlichtschranken:

Einweg-Lichtschranken

Bei Einweglichtschranken stehen sich Sender und Empfänger gegenüber. Hierzu zählen auch Gabelkoppler bzw. Gabellichtschranken, bei denen Sender und Empfänger in geringem Abstand zueinander bereits vormontiert sind. Sender und Empfänger sind meist in getrennten Gehäusen untergebracht und müssen bei der Montage zueinander ausgerichtet montiert werden.

Reflexlichtschranken

Das Lichtsignal wird bei Reflexionslichtschranken über einen Reflektor oder ein reflektierendes Objekt selbst zurückgeworfen, Sender und Empfänger befinden sich parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse. Die Versionen mit Reflektor unterscheiden sich noch hinsichtlich der Verwendung eines Polarisationsfilters. Versionen mit Polarisationsfilter arbeiten nur mit einem Retroreflektor bzw. Rückstrahler, nicht jedoch mit einer glatten Spiegelfläche. Eine solche wird als Unterbrechung erkannt und schafft zusätzliche Sicherheit, da so auch ein blanker Metallgegenstand als Unterbrechung erkannt wird. Die Verwendung von Retroreflektoren und Reflexlichtschranken vereinfacht die Montage erheblich, da geringerer Verkabelungsaufwand erforderlich ist und keine genaue Ausrichtung des Reflektors zur Lichtschranke erfolgen muss.

Das Relais ist ein meist elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen, welcher durch elektrischen Strom betrieben wird. Ein Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten.

Relais sind elektromechanische Bauelemente. Sie werden vor allem für einen der folgenden Anwendungsfälle oder deren Kombination eingesetzt:

- Zum gleichzeitigen Beeinflussen mehrerer Laststromkreise mit nur einem Steuerstromkreis
- Zum Schalten von hohen elektrischen Leistungen mit einem Stromkreis niedriger Leistung
- Um den steuernden vom zu schaltenden Stromkreis galvanisch zu trennen.

Ein mechanisches Relais arbeitet meist nach dem Prinzip eines Elektromagneten. Ein Stromfluss in der Erregerspule erzeugt einen magnetischen Fluss durch den ferromagnetischen Kern und einen daran befindlichen (beweglich gelagerten und ebenfalls ferromagnetischen) Anker. Es kommt zur Krafteinwirkung auf den Anker, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte schaltet. Der Anker wird durch Federkraft in die Ausgangslage zurückversetzt, sobald die Spule nicht mehr erregt ist.

Ein Kontakt wird als “Schließer” oder “Arbeitskontakt” bezeichnet, wenn er bei abgefallenem Anker bzw. stromloser Erregerspule offen und bei angezogenem Anker bzw. stromdurchflossener Spule geschlossen ist. Als “Ruhekontakt” oder “Öffner” wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er in angezogenem Zustand des Relais den Stromkreis unterbricht. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler oder Umschaltekontakt bezeichnet. Ein Relais kann einen oder mehrere solcher Kontakte haben.

Ein Relais arbeitet als Ruhestromrelais, wenn es im Ruhezustand vom Strom durchflossen und angezogen ist, beispielsweise zur Überwachung von Netzausfall oder Drahtbruch. Im anderen und überwiegenden Fall, bei dem es im Ruhezustand stromlos ist, wird es als Arbeitsstromrelais bezeichnet.

Im Schaltplan werden Relais grundsätzlich im abgefallenen Zustand gezeichnet, auch wenn sie als Ruhestromrelais arbeiten.

Unter den Relais gibt es eine sehr große Anzahl verschiedener Ausführungen und Bauformen. Darüber hinaus können Relais nach verschiedenartigen Gesichtspunkten typisiert werden, beispielsweise nach Anzahl der in stromlosem Zustand möglichen Schaltzustände, nach Bauform, Baugröße, Einsatzgebiet, Art oder Material der Kontakte, Schaltleistung oder Funktionsprinzip. Ein Relais kann daher oft zu verschiedenen Typen gezählt werden.

Die wichtigsten Typen sind:

Kleinrelais

Zu den etwas unklar abgegrenzten Kleinrelais gehören eine Vielzahl meist im Niederspannungsbereich eingesetzten Relais, die oft zum Einbau auf Leiterplatten vorgesehen sind (Printrelais). Weitere Beispiele sind DIL-Relais, kammgeführte Relais, SMD-Miniaturrelais.

Schütze

Ein Relais für erheblich größere Leistungen in der Starkstromtechnik wird “Schütz” genannt. Die Stromstärke und elektrische Spannung im Laststromkreis können um ein Vielfaches größer als in der Spule sein. Schütze besitzen einen Zuganker, für dessen Ansteuerung eine etwas höhere Leistung erforderlich ist, und sie haben in der Regel mehrere gleichartige Schaltkontakte, wie sie zum Schalten von Drehstromverbrauchern benötigt werden. Desweiteren gibt es sogenannte Hilfsschütze, die ihrerseits zur Steuerung der vorgenannten Hauptschütze dienen.

Halbleiterrelais

Halbleiterrelais (engl. solid state relay, SSR, daher auch eingedeutscht Solid-State-Relais genannt) sind keine eigentlichen Relais, obwohl sie im Allgemeinen in diese Kategorie einsortiert werden. Vielmehr handelt es sich bei ihnen um elektronische Bauelemente. Halbleiterrelais werden mit Transistoren oder Thyristoren beziehungsweise Triacs realisiert. Sie arbeiten ohne bewegte Teile, sind daher sehr langlebig und auch für hohe Schalthäufigkeit und ungünstige Umweltbedingungen geeignet. Mit Halbleiterrelais besteht auch die Möglichkeit, Wechselspannung während des Nulldurchganges zu schalten, womit störende Impulse vermieden werden können. Eine galvanische Trennung wird bei Halbleiterrelais durch im Bauteil integrierte Optokoppler erreicht. Halbleiterrelais haben gegenüber mechanischen Relais höhere Verluste im Laststrompfad und müssen daher oft auf einen Kühlkörper montiert werden.

Eine Zwischenstellung zwischen Optokopplern und Halbleiterrelais nehmen sogenannte OptoMOS- bzw. PhotoMOS-Relais ein: sie arbeiten steuerungsseitig wie ein Optokoppler mit einer IR-Leuchtdiode und besitzen lastseitig MOSFET, mit denen sie kleine Gleich- und Wechselspannungen bei geringem Strom schalten können. Sie müssen nicht gekühlt werden und besitzen bei geringem Laststrom einen ähnlich geringen Spannungsabfall wie mechanische Signalrelais. Sie arbeiten verschleißfrei, besitzen jedoch keine Vorteile hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit.

Bistabile Relais

Bistabile Relais sind gekennzeichnet durch ihre Eigenschaft, dass sie im stromlosen Zustand zwei verschiedene stabile Schaltzustände einnehmen können. Zu den bistabilen Relais gehören Stromstoßrelais und Haftrelais.

Gepolte Relais

Bei gepolten Relais ist die Polarität der anzulegenden Erregerspannung festgelegt. Polarisierte Relais haben einen integrierten Dauermagneten, dessen Feld das der Erregerspule additiv überlagert. Dadurch ist die Anzugsspannung reduziert. Bei Relais mit integrierter Freilaufdiode kann die Spannung nur in Sperrrichtung der Diode angelegt werden.

Relais in Kraftfahrzeugen

KFZ-Relais sind robust gebaute Relais, die den erhöhten Anforderungen in Kraftfahrzeugen besonders hinsichtlich Stoßfestigkeit und Temperaturbereich standhalten können. Sie arbeiten mit der Bordspannung von 12 oder 24 Volt und können höhere Ströme schalten. Häufig enthalten sie im Gehäuse schon Bauelemente (Widerstand, Diode) zum Begrenzen der Gegeninduktionsspannung der Spule.

Fernmelderelais

In den elektromechanischen Vermittlungsstellen und Telefonanlagen wurden Relais in großem Umfang eingesetzt. Sie dienten der logischen Ablaufsteuerung beim Auf- und Abbau der Wählverbindungen. Hierzu waren den Teilnehmern in der Teilnehmerschaltung, sowie dem Koppelfeld, das meist aus Wählern bestand, Relais fest zugeordnet. Zu den wichtigsten Vertretern dieser Art von Relais, die heute nur noch sehr vereinzelt anzutreffen sind, zählen das Flachrelais, das Rundrelais und das ESK-Relais.

Wechselstromrelais

Elektromagnetische Relais können nicht ohne weiteres mit Wechselspannung betrieben werden, da das Magnetfeld, das den Anker halten soll, sich dauernd umpolt. Der Anker zieht zwar in der Regel bei Spannungen mit Netzfrequenz an, klappert aber und ein präzises Schalten der Kontakte ist nicht sichergestellt. Folgende Relais können mit Wechselstrom betrieben werden:

Spaltpolrelais haben eine Kurzschlusswindung (siehe Spaltpolmotor). Der dort induzierte Strom hält den Magnetfluss auch dann noch aufrecht, wenn der Steuerstrom seinen Nulldurchgang hat.

Das Phasenrelais ist ein Relais mit zwei Wicklungen, in denen der Stromfluss mittels eines Kondensators um 90 Grad phasenverschoben ist. Damit ist eine Spule immer voll erregt, wenn der Erregerstrom in der anderen durch Null geht.

Gleichstromrelais mit vorgeschaltetem Gleichrichter (der gelegentlich in das Relaisgehäuse eingebaut ist).