Relais

Die ersten elektronischen Computer von Konrad Zuse und auch der amerikanische Mark I waren größtenteils aus Relais zusammengesetzt. Das lag vor allem daran, dass diese Bauelemente sehr simpel aufgebaut sind und daher preiswert und in großer Menge verfügbar waren. Im Fall von Konrad Zuse - der ja Bauingenieur und kein Elektrotechniker war - lag es sicher auch mit daran, dass Relaisschaltungen auch für einen Laien einfach zu verstehen und nachzuvollziehen sind.

Ein Relais besteht aus einer Drahtspule auf einem Metallkern. Sobald durch den Draht ein Strom fließt, wird der Kern magnetisch. Schaltet man den Strom ab, verschwindet auch das Magnetfeld. Man nennt diese Konstellation einen Elektromagneten. Am einen Ende des Kerns ist nun ein elektrischer Schalter so angebracht, dass er geschlossen wird, sobald der Elektromagnet eingeschaltet wird. Es gibt auch eine Variante, wo der Schalter bei abgeschalteten Elektromagnet geschlossen ist. Sobald die Spule von Strom durchflossen wird, wird der Schalter in diesem Fall geöffnet.

Relais wurden häufig genutzt, um große Spannungen ein- oder auszuschalten, ohne den gefährlichen spannungsführenden Teilen allzunahe kommen zu müssen. Der Steuerkreis wird mit einer relativ geringen Spannung betrieben, die hohe Spannung liegt nur im Arbeitskreis an. Historisch gesehen gab es Relais bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Die damals entstehenden Telegrafieverbindungen waren auf Distanzen von wenigen Kilometern begrenzt. Bei größeren Entfernungen wäre das ankommende Signal zu schwach gewesen, um die gesendeten Morsecodes noch zu Papier zu bringen. Man konnte das Problem lösen, indem es alle paar Kilometer eine Telegrafenstation gab, wo ein Mitarbeiter ankommende Nachrichten erneut eintastete. Alternativ konnte man aber auch einfach ein Relais verwenden, bei dem das ankommende Signal den Elektromagneten ansteuerte und mit einer kräftigen Batterie im Arbeitskreis das Signal für die nächsten Kilometer wieder fit gemacht wurde.

Mit der aufkommenden Telefonie kamen Relais zu neuer Blüte. Nahezu alle Schaltvorgänge in Vermittlungsstellen wurden mit Relais gemacht. Solche Relais verwendete dann auch Zuse bei seinen Computern. Relais gibt es übrigens bis heute, z.B. im Auto, in der Zentralheizung, in Waschmaschinen oder Geschirrspülern und im Stromkasten für die Steuerung der Treppenhausbeleuchtung.

Die Abbildung zeigt, wie man Relais verwenden kann, um logische Schaltungen zu bauen. In diesem Fall handelt es sich um eine UND-Verknüpfung. Auf der linken Seite sind zwei Eingänge zu sehen, auf der rechten ein Ausgang. Bei logischen Verknüpfungen können Ein- und Ausgänge nur die Werte 0 oder 1 annehmen. Wenn man eine Logikschaltung baut, werden 0 und 1 durch zwei verschiedene Spannungen repräsentiert, in unserem Beispiel 0 V und 12 V.

Um die Schaltung an einem Eingang mit einer 1 zu versorgen, verbindet man die Eingangsleitung einfach mit der Betriebsspannung. Für eine 0 verbindet man die Eingangsleitung mit der Masse, man kann sie aber auch einfach offen lassen, d.h. mit nichts verbinden.

Bei einer UND-Verknüpfung muss die Schaltung am Ausgang nur dann eine 1 liefern, wenn beide Eingänge auf 1 gesetzt wurden. In allen anderen Fällen muss der Ausgang 0 sein. Man kann alle denkbaren Zustände der Schaltung in einer kleinen Tabelle darstellen:

Andere Varianten gibt es nicht. Versuchen Sie nun einfach mal die verschiedenen Möglichkeiten mit der obigen Schaltung durchzuspielen.

Nur wenn beide Eingänge mit der Betriebsspannung verbunden werden, werden beide Relais mit Strom versorgt und die beiden Schalter dadurch geschlossen. Das führt dazu, dass der Ausgang mit der Betriebsspannung verbunden wird und damit erhält er den Wert 1.

 Das ist bereits eine von nur drei Grundschaltungen, die man in der Binärlogik benötigt. Die zweite ist kaum schwieriger zu verstehen:

Diese Schaltung wird ODER-Verknüpfung genannt. Die Wertetabelle dazu sieht so aus:

Bei dieser Schaltung muss der Ausgang also 1 sein, wenn einer der beiden Eingänge (oder beide) 1 ist. Nur wenn beide Eingänge 0 sind, ist auch der Ausgang 0.

In der Schaltung wird das so realisiert, dass die beiden Schalter parallel geschaltet werden. Es genügt daher, dass einer von beiden geschlossen ist, um eine Verbindung des Ausgangs mit der Betriebsspannung zu erzeugen.

Die letzte grundlegende Verknüpfung ist das "NICHT". Es macht aus einer 0 eine 1 und aus einer 1 eine 0. Man kann das mit einem einzelnen Relais realisieren, das einen umgekehrten Schalter hat, d.h. der bei anliegender Spannung am Relais geöffnet wird und ansonsten geschlossen ist.