Zeitrelais

Ein gewöhnliches Schaltrelais oder Schütz schaltet sofort, sobald die Spule Spannung bekommt — Reaktionszeit im Millisekundenbereich. Beim Zeitrelais kommt zwischen Eingangssignal und Schaltvorgang eine gezielt einstellbare Zeit. Die Spule selbst reagiert nach wie vor sofort. Verzögert wird das Umschalten der Kontakte.

Warum braucht eine Steuerung diese Zeit?

• Ein Lüfter soll nach Abschaltung der Maschine noch eine Minute weiterlaufen, um Restwärme abzuführen
• Mehrere große Verbraucher sollen nicht gleichzeitig anlaufen, sondern um wenige Sekunden versetzt — sonst löst die Vorsicherung aus
• Ein Stern-Dreieck-Anlauf braucht ein definiertes Umschaltintervall vom Stern- in den Dreieckbetrieb (eigener Beitrag „Stern-Dreieck-Schaltung“)
• Eine Warnleuchte soll im Sekundentakt blinken

Lange waren pneumatische Zeitrelais üblich — ein kleiner Luftkolben, der über eine einstellbare Drossel entweicht. Auch motorische Zeitrelais mit Synchronmotor und Nockenscheibe gab es. Beide sind heute Sonderfälle. Standard sind elektronische Zeitrelais mit Mikrocontroller: genauer, kompakter, im Zeitbereich von Millisekunden bis Stunden und fast immer mit mehreren Funktionen in einem Gerät.

Ein modernes Zeitrelais für die Schaltschrankmontage besteht aus wenigen klar erkennbaren Elementen:

• Versorgungsspannungseingang an den Klemmen A1 und A2 — A1 ist Plus (bei DC) oder Phase (bei AC), A2 entsprechend Minus oder Neutralleiter
• Schaltkontakte, meist als Wechslerkontakte (Umschaltkontakt) ausgeführt
• Einstellelemente an der Gehäusefront: ein oder mehrere Drehpotis und Drehschalter
• LED-Anzeigen für Versorgungsspannung und Schaltzustand

Die Klemmen tragen in der Industrie eine weitverbreitete Codierung:

Erste Ziffer = Kontaktnummer, zweite Ziffer = Funktion. Bei verzögert schaltenden Kontakten variieren manche hersteller die zweite Ziffer (z.B. 5/6 für verzögert öffnend, 7/8 für verzögert schließend). Das Datenblatt zeigt für das konkrete Gerät die genaue Zuordnung.

Versorgungsspannungsbereich: Multispannungstypen decken 24 V DC bis 240 V AC ab — ein Gerät für nahezu jede Anwendung. Reine 24-V-DC-Typen kommen häufig in Steuerstromkreisen mit Schaltnetzteil zum Einsatz.

Einstellelemente an der Front:

• Zeitbereich: Drehschalter mit Faktorbereichen — z.B. 1 s / 10 s / 100 s / 1 min / 10 min / 1 h / 10 h
• Zeitwert: Drehpoti mit Skala von 0 bis 10 oder von 5 bis 100 %, wird mit dem Zeitbereich multipliziert
• Funktionsart: bei Multifunktionsrelais ein zusätzlicher Drehschalter mit den Kennbuchstaben der Funktionen (E, R, We, Wa, Bp, Bi, Sd)

Bauformen:

• 17,5-mm-Reihengerät auf der Hutschiene — eine Teilungseinheit breit, heute der Standard
• 8- oder 11-polige Steckrelais auf einem entsprechenden Sockel — oft in älteren Anlagen anzutreffen
• Solid-State-Ausführungen mit elektronischen Ausgängen für hohe Schalthäufigkeiten ohne mechanische Kontakte

Multifunktions-Zeitrelais bilden alle gängigen Zeitfunktionen in einem Gerät ab. Per Drehschalter wird die gewünschte Funktion gewählt. Die Kennbuchstaben sind herstellerübergreifend weitgehend einheitlich und gehen auf die Norm IEC 60617 zurück.

Die meistgebrauchten Funktionen sind ansprechverzögert und abfallverzögert. Sie decken den Großteil aller Anlauf- und Nachlaufanwendungen ab. Wischrelais (einschalt- und ausschaltwischend) liefern kurze Impulse für nachgeschaltete Zähl-, Schritt- oder Hilfsschütze.

Für den Stern-Dreieck-Anlauf gibt es spezielle Sd-Zeitrelais oder die Sd-Funktion auf einem Multifunktionsrelais. Sie steuert die Umschaltung vom Sternschütz zum Dreieckschütz mit einer kurzen Spannungspause dazwischen. Die Schaltung selbst — mit Hauptschütz, Sternschütz, Dreieckschütz und der nötigen Verriegelung — ist Thema im eigenen Beitrag „Stern-Dreieck-Schaltung“.

Im Stromlaufplan wird ein Zeitrelais wie ein normales Relais aus Spule und Kontakten dargestellt — mit zusätzlichen Markierungen, die die zeitverzögerte Funktion zeigen.

Spulensymbol: Ein Rechteck wie bei jedem Relais, ergänzt durch einen seitlich angesetzten Halbkreis. Die Lage des Halbkreises zeigt die Wirkrichtung:

• Halbkreis nach unten geöffnet → ansprechverzögert (Verzögerung beim Einschalten)
• Halbkreis nach oben geöffnet → abfallverzögert (Verzögerung beim Ausschalten)
• Halbkreis beidseitig oder gefüllt → Wischer-Funktion

Kontaktsymbole: Schließer- und Öffnerkontakte wie gewohnt, ergänzt durch eine kleine halbkreisförmige Markierung an der Kontaktbrücke. Diese Markierung steht für „verzögert schaltend“:

• Verzögert schließender Schließer: Halbkreis öffnet sich nach unten
• Verzögert öffnender Schließer: Halbkreis öffnet sich nach oben

Die Zuordnung von Spule zu Kontakten erfolgt über die Bauteilkennzeichnung. Ein Zeitrelais bekommt typisch den Buchstaben K mit angehängtem T für Time — z.B. K1T, K2T. Alle Kontakte einer Spule tragen das gleiche Kürzel und können im Stromlaufplan weit verteilt sein. Der nebenstehende Querverweis auf das Strompfad-Schema zeigt, in welchen Strompfaden die zugehörigen Kontakte zu finden sind.

Ein Zeitdiagramm zeigt, wie der Kontakt auf das Eingangssignal reagiert. Auf der waagrechten Achse läuft die Zeit, auf der senkrechten stehen die beiden Zustände HIGH (Spannung an, Kontakt geschlossen) und LOW (aus, Kontakt offen). Zwei Signale werden übereinander gezeichnet: oben das Eingangssignal an A1/A2, darunter der Schaltzustand des Kontakts.

Ansprechverzögert (E): Steuerspannung wird eingeschaltet. Der Kontakt schaltet erst nach Ablauf der Verzögerungszeit $t_v$ um. Sobald die Steuerspannung wieder weggenommen wird, fällt der Kontakt sofort ab.

Abfallverzögert (R): Steuerspannung wird eingeschaltet. Der Kontakt schaltet sofort. Beim Ausschalten der Steuerspannung bleibt der Kontakt noch für die Verzögerungszeit $t_v$ geschlossen und fällt dann ab. Bei manchen Bauformen muss die Versorgungsspannung weiterhin anliegen, während ein separater Steuereingang (Klemme B1) geschaltet wird — sonst wäre keine Energie mehr da, um die Zeit zu messen.

Einschaltwischend (We): Beim Einschalten der Steuerspannung gibt der Kontakt einen Impuls der Dauer Wischimpulszeit $t_w$ und fällt dann ab — unabhängig davon, wie lange die Steuerspannung danach noch anliegt.

Ausschaltwischend (Wa): Beim Ausschalten der Steuerspannung gibt der Kontakt einen Impuls der Dauer $t_w$ und fällt danach wieder ab.

Taktgeber (Bp / Bi): Solange die Steuerspannung anliegt, wechselt der Kontakt regelmäßig zwischen offen und geschlossen. Bp startet mit der Pause (Aus), Bi startet mit dem Impuls (Ein). Eingestellt werden $t_{ein}$ und $t_{aus}$.

Ein als Taktgeber konfiguriertes Zeitrelais erzeugt eine fortlaufende Folge aus Einschalt- und Ausschaltphasen. Drei Größen beschreiben diese Folge vollständig.

Periodendauer T ist die Summe einer Ein- und einer Ausschaltphase — die Zeit für einen vollen Zyklus:

Frequenz f ist der Kehrwert der Periodendauer und gibt an, wie viele Zyklen pro Sekunde durchlaufen werden:

Tastverhältnis D (englisch: duty cycle) ist das Verhältnis von Einschaltzeit zur Periodendauer, üblicherweise in Prozent angegeben:

Beispiel: Eine Warnblinkleuchte mit $t_{ein} = 0,5$ s und $t_{aus} = 0,5$ s hat eine Periodendauer von 1 s, eine Frequenz von 1 Hz und ein Tastverhältnis von 50 % — symmetrischer Takt. Wird die Leuchte dagegen mit $t_{ein} = 0,2$ s und $t_{aus} = 1,8$ s betrieben — kurz leuchtend mit langer Pause — beträgt das Tastverhältnis 10 %, die Frequenz 0,5 Hz.

Drei Anwendungen treten besonders häufig auf:

Lüfter-Nachlauf: Ein Frequenzumrichter oder ein Schweißgerät erzeugt Restwärme, die nach Abschaltung noch abgeführt werden muss. Ein abfallverzögertes Zeitrelais lässt den Lüfter nach Wegnahme des Steuersignals noch 1 bis 5 Minuten weiterlaufen. Vorteil: Die Elektronik wird vor Hitzestau geschützt, die Lebensdauer der Bauteile steigt deutlich.

Zeitversetzter Anlauf: Beim gleichzeitigen Einschalten mehrerer großer Verbraucher addieren sich ihre Einschaltströme zu einem kräftigen Stromstoß, der die Vorsicherung auslösen kann. Ein oder mehrere ansprechverzögerte Zeitrelais staffeln die Zuschaltung im Sekundenabstand. Vorteil: Geringerer Inrush-Strom, schonenderer Anlauf für Transformatoren, Sicherungen und Netz.

Pumpenwechsel im Tagestakt: Bei einer Doppelpumpenanlage (Heizung, Wasserversorgung, Druckerhöhung) wird zyklisch zwischen Pumpe 1 und Pumpe 2 gewechselt. Ein Taktgeber-Zeitrelais mit großer Periode steuert die Umschaltung über ein nachgeschaltetes Hilfsschütz oder Wechselschütz. Vorteil: Gleichmäßiger Verschleiß beider Pumpen, Reserve im Defektfall.

Zwei weitere klassische Einsatzgebiete mit Verweis auf eigene Beiträge:

• Stern-Dreieck-Umschaltzeit: Beim Y/Δ-Anlauf legt ein Sd-Zeitrelais die Umschaltzeit vom Stern- in den Dreieckbetrieb fest, typisch 3 bis 10 Sekunden. Details und Schaltung dazu im Beitrag „Stern-Dreieck-Schaltung“.
• SPS-Zeitfunktionen: In der SPS bilden die Funktionen TON, TOF und TP softwareseitig dieselben Funktionen ab wie ansprech-, abfallverzögert und Wischer in der klassischen Schützsteuerung. Mehr dazu im Beitrag „Zeitfunktionen (TON, TOF, TP)“.

Auswahlkriterien beim Einkauf eines Zeitrelais:

• Zeitbereich: Die Anwendung soll im mittleren Drittel des Geräts liegen. Wer 30 Sekunden braucht, wählt nicht den Endbereich eines 60-Sekunden-Geräts — die relative Genauigkeit ist am Skalenanschlag am schlechtesten.
• Wiederholgenauigkeit: Bei elektronischen Multispannungsgeräten liegt sie typisch im Bereich von $\le 1\ \%$ vom Skalenendwert. Für Sicherheitsanwendungen ist eine sicherheitsgerichtete Bauart mit höherer Zertifizierung nötig.
• Kontaktbelastbarkeit: Schaltleistung in A nach den passenden Gebrauchskategorien (AC-1, AC-15, DC-1) für die geplante Last. Ein typischer 6-A-Wechslerkontakt schaltet kein 230-V-Schütz mit großer Spulenleistung dauerhaft zuverlässig — dort wird ein zwischengeschaltetes Hilfsschütz nötig.
• Versorgungsspannungsbereich: Multispannungstypen mit 24 V DC bis 240 V AC reduzieren die Lagerhaltung in Werkstatt und Schaltschrankbau spürbar.
• Mehrfunktionsfähigkeit: Multifunktionsrelais kosten kaum mehr als Einfachtypen und decken alle Standardfunktionen mit einem Gerät ab — Ersatzteilbestand schrumpft auf wenige Typen.
• Hilfsspannungseingang: Manche Funktionen — besonders die abfallverzögerte ohne externe Hilfsversorgung — brauchen einen separaten Steuereingang an Klemme B1. Anschlussschema und Funktionsmatrix im Datenblatt vorher prüfen.