Relais

Onderwerpen:

Inleiding
Relaisschakelingen
Metingen bij uitgeschakeld en ingeschakeld relais
Storingzoeken
Locaties van relais

Inleiding:
Het relais wordt veel toegepast in de auto-elektronica in het stroomcircuit van verbruikers waar veel stroom doorheen loopt. Hoe hoger de stroomsterkte, hoe dikker de bedrading moet worden uitgevoerd. De diameter van de draad bepaalt wat de maximale stroomsterkte mag bedragen. We willen zoveel mogelijk dikke draden voorkomen, omdat kabelbomen anders te groot en storingsgevoelig worden. Een tweede, en nog belangrijker voorbeeld om relais te gebruiken, is de aansturing door een ECU. Een hoge stroomsterkte gaat gepaard met meer warmte. De warmte willen we zoveel mogelijk buiten de ECU houden. Voorbeelden van elektrische componenten die door een relais worden aangestuurd zijn o.a:

Motorkoelventilator;
Claxon;
Achterruitverwarming;
ECU’s;
Injectoren en bobine (benzinemotor);
Brandstofopvoerpomp;
Dim- groot- en / of mistlicht.

De volgende twee afbeeldingen tonen een schema van het relais en een afbeelding van een echt relais. Op het relais vinden we vier aansluitingen met standaard DIN-coderingen:

Ingang stuurstroom (86)
Uitgang stuurstroom (85)
Ingang hoofdstroom (30)
Uitgang hoofdstroom (87)

Een relais maakt van een kleine stuurstroom een grote hoofdstroom. Dat is een standaard zin die veel studenten en monteurs weten uit te spreken. Op het moment dat er moet worden gemeten aan een relaisschakeling, raakt men vaak in de war van de coderingen: waar loopt de stuurstroom en hoofdstroom? En hoe moet er worden gemeten om te controleren of het relais goed werkt? In de volgende paragrafen wordt de werking van het relais beschreven, welke spanningen je hoort te meten op een goed functionerend relais en hoe er storingen kunnen worden gezocht.

De onderstaande afbeelding tonen een uitgeschakeld en ingeschakeld relais.

Relais uitgeschakeld:
De schakelaar (rode behuizing) bevindt zich in het schema tussen de uitgang van het relais (klem 85) en de massa van de accu (carrosserie). In werkelijkheid kan deze schakelaar zich in het dashboard bevinden, bijvoorbeeld de mistlampschakelaar.
Relais ingeschakeld:
Op het moment dat de bestuurder de schakelaar bedient, sluiten de contacten. Daarmee wordt het stroomcircuit in de stuurstroomzijde gesloten. Er gaat een stroom lopen vanaf de plus van de accu, door 86, de spoel van het relais, en via 85 en de schakelaar naar massa. Doordat er stroom door de spoel loopt, wordt hij magnetisch en trekt het schakelaartje tussen pin 30 en 87 dicht. Ook daar ontstaat nu een gesloten stroomcircuit. Er gaat een hoofdstroom lopen via de plus van de accu, door de zekering naar klem 30 van het relais, waarna de stroom via klem 87 naar de verbruiker wordt gevoerd. De verbruiker schakelt in.

In de afbeeldingen wordt als verbruiker vaak een lamp getoond. In werkelijkheid kunnen dat uiteraard andere elektrische verbruikers / actuatoren zijn. Voor een relaisschakeling maakt het niet uit welk type verbruiker er wordt aangestuurd.

De stuurstroom door een relais bedraagt meestal tussen de 150 en 200 mA (0,15 – 0,2 A). De hoofdstroom kan oplopen tot 20 of 50 A. De maximaal toegestane hoofdstroom staat vaak op de behuizing van het relais vermeld.

Relaisschakelingen:
Met een relais wordt een stuurstroom met een lage stroomsterkte ingeschakeld door een schakelaar die we handmatig kunnen bedienen, of door een regelapparaat (ECU). De schakeling met de ECU vinden we in de meeste moderne voertuigen.

Een relais kan worden plusgeschakeld of massageschakeld. Voor de werking van een relais maakt het niet uit of hij wordt ingeschakeld door een voeding of massa in te schakelen: zodra het relais een plus en min krijgt, gaat er immers stroom door de spoel lopen. De onderstaande drie afbeeldingen tonen een massaschakeling met een schakelaar en ECU, en een plusschakeling.

De uitvoeringen waarbij een regelapparaat de stuurstroom in- en uitschakelt, geeft dit meerdere voordelen:

De bestuurder kan het regelapparaat de opdracht geven om de verbruiker in te schakelen. Dit kan met een schakelaartje op het dashboard, of via de digitale boordcomputer (evt. via het multimediascherm);
De ECU kan het relais zelf in- en uitschakelen naar aanleiding van een sensorsignaal (bijv: motortemperatuur hoog, ventilator aan), of de brandstofpomp uitschakelen op het moment dat er een ongeval wordt geregistreerd door de airbag-ECU. De regeling door de ECU geeft dus comfort, maar ook een hogere mate van veiligheid.

In de schema’s op deze afbeelding wordt klem 86 als ingang en 85 als uitgang beschouwd. In de praktijk zien we regelmatig dat fabrikanten deze pinnen omdraaien: bij 85 komt 12 volt binnen en 86 is verbonden met de massa. Het relais kan dan wederom zijn plus- of massageschakeld. Vaak kan dit in het schema worden opgezocht, en anders zullen metingen uitwijzen hoe het relais in het voertuig is geschakeld.

Metingen bij uitgeschakeld en ingeschakeld relais:
In de inleiding is beschreven hoe de stuurstroom en hoofdstroom tot stand komen. Op het moment dat een verbruiker niet meer werkt, wordt meestal als eerst het storingsgeheugen uitgelezen en de spanning over de verbruiker gemeten. Met een V4-meting kan er worden opgespoord of er een overgangsweerstand of onderbreking in de voeding of massa aanwezig is. Wanneer een draad is onderbroken, een zekering defect is, of een schakelaar in de stand “open” blijft staan meten we in de V3 en/of V4 een waarde die ongelijk is aan 0 volt: oftewel, er is iets aan de hand. In deze paragraaf worden voorbeeldmetingen getoond om de spanningen op het relais te controleren. We gaan uit van de situatie waarbij 86 de ingang en 85 de uitgang van de stuurstroomzijde is. In de vorige paragraaf is uitgelegd dat dit door de fabrikanten soms wordt omgedraaid.

Relais uitgeschakeld:
Deze tekst gaat over de metingen die in de onderstaande vier afbeeldingen zijn getoond. Met een uitgeschakeld relais meten we met de multimeter de spanning op de vier pinnen (86, 85, 30 en 87) ten opzichte van de massa (carrosserie of met een krokodillenklem op de massapool van de accu).

Meting 1: op de ingang van de stuurstroomzijde van het relais (pin 86) staat 12 volt (of 24 volt bij een bedrijfswagen);
Meting 2: de spanning is met een uitgeschakeld relais niet verbruikt, dus bedraagt 12 volt op pin 85 ;
Meting 3: op de ingang van de hoofdstroomzijde (pin 30) staat 12 volt;
Meting 4: omdat het relais niet is bekrachtigd, is de schakelaar in het relais geopend, en staat er op pin 87 een spanning van 0 volt.

Klem 86:	12 v
Klem 85:	12 v
Klem 30:	12 v
Klem 87:	0 v

Relais ingeschakeld:
De schakelaar is gesloten. De aansluitingen A1 en A2 zijn met elkaar verbonden. Het stuurstroomcircuit is gesloten en er gaat een stuurstroom lopen. Met een ingeschakeld relais meten we wederom de spanning op de vier pinnen (86, 85, 30 en 87) ten opzichte van de massa.

Meting 1: op de ingang van de stuurstroomzijde van het relais (pin 86) staat 12 volt;
Meting 2: de spanning is met een ingeschakeld relais verbruikt en omgezet in magnetisme, dus bedraagt 0,1 volt op pin 85 ;
Meting 3: op de ingang van de hoofdstroomzijde (pin 30) staat 12 volt;
Meting 4: omdat het relais is bekrachtigd, is de schakelaar in het relais gesloten, en staat er op pin 87 een spanning van 12 volt.

Klem 86:	12 v
Klem 85:	0,1 v
Klem 30:	12 v
Klem 87:	12 v

Storingzoeken:
Bij een niet goed functionerende verbruiker / actuator kunnen we de spanningen op de aansluitingen van het relais meten om de oorzaak van de storing op te sporen. Schakelt een relais niet in, dan kan de oorzaak een defect relais zijn, maar als de zekering defect is en het relais geen ingangsspanning krijgt, kan hij ook niets doorschakelen. Met vier metingen op het relais (altijd ten opzichte van massa) kunnen we al veel uitsluiten en gerichter zoeken naar de exacte onderbreking. In de onderstaande voorbeelden met mogelijke storingen geeft de rode X de locatie aan waar de storing zich bevindt, en weergeeft de waarde in de multimeter wat het spanningsverschil tussen de gemeten punten bedraagt.

Storing 1: het relais schakelt niet in
Het relais wordt door de schakelaar aan massa gelegd, maar er gaat geen stuurstroom lopen. Daardoor gaat er dus ook geen hoofdstroom lopen. De spanning op pin 87 blijft 0 volt. Dat geeft aanleiding tot het meten van de andere pinnen op het relais. Na het inschakelen wordt het spanningsverschil tussen pin 86 en 85 gemeten en hier wordt 12 volt gemeten. In deze situatie is de spoel onderbroken.

Het spanningsverschil over een goed functionerend relais is 12 volt, omdat de spanning is verbruikt. Met deze meting lijkt het dus in orde, maar dat is het niet. Met een onderbroken spoel meten we óók 12 volt, omdat op de meetpennen een verschil van 12 volt wordt gemeten: op de rode meetpen komt 12 volt binnen en op de zwarte staat – via de gesloten schakelaar – 0 volt.

Wanneer het vermoeden ontstaat dat de spoel in het relais is onderbroken, kan de weerstand worden gemeten. Het relais moet worden gedemonteerd en mag geen deel meer uitmaken van het stroomcircuit. Op de losse relaisaansluitingen kunnen we de weerstand tussen pin 86 en 85 meten.

weerstand door de spoel: rond de 60 á 80 ohm: in orde
weerstand door de spoel: oneindig hoog (1. of OL): onderbreking

Storing 2: het relais schakelt niet in
Bij het bedienen van de schakelaar (rode behuizing) of na het inschakelen van de ECU, blijft de verbruiker uitstaan. Met de meting op pin 85 wordt er 12 volt ten opzichte van massa gemeten. Daarmee kunnen we concluderen dat de spanning niet in de spoel is verbruikt, dus dat de spoel niet magnetisch is geworden.

Een verschilmeting tussen pin 85 en pin A1 op de schakelaar zal uitwijzen of de draad onderbroken is, of dat het probleem zich in de schakelaar voordoet:

Spanningsverschil tussen 85 en A1: 12 volt: draad onderbroken
Spanningsverschil tussen 85 en A1: 0 volt: het probleem zit niet in de draad.

Wanneer de draad in orde is, staat er 12 volt aan weerskanten van de draad, waardoor we een verschil van 0 meten. Meten we 12 volt verschil over de schakelaar (A1 ten opzichte van A2), dan bevindt zich de onderbreking in de schakelaar. Oftewel: de schakelaar blijft geopend. Deze 12 volt meten we namelijk ook als de schakelaar onbediend is.

Storing 3: verbruiker blijft ingeschakeld.
Een mogelijke klacht van de klant is dat de koelventilator van het voertuig blijft draaien, terwijl het voertuig is geparkeerd en al enige tijd op slot staat. De klant heeft dit opgemerkt door het geluid dat van de ventilator afkomstig is. Een andere mogelijkheid is dat een klant zich meldt met een lekstroomprobleem: de accu is na relatief korte stilstand steeds leeg, terwijl de conditie van de accu en het laadsysteem in orde zijn. We spreken dan over lekstroom, of een clandestiene verbruiker.

De metingen tonen dat er geen stuurstroom loopt (op pin 85 staat 12 volt), maar dat we wél een hoofdstroom loopt.

In dit geval is de oorzaak een “plakkend” relaisschakelaartje. De schakelaar tussen 30 en 87 blijft gesloten, ook al is de spoel niet magnetisch. De oorzaak kan ouderdom zijn, waarbij contacten zijn ingebrand.

Storing 4: het relais schakelt in, maar de verbruiker functioneert niet
Bij het inschakelen van het relais hoor je in de meeste gevallen het schakelaartje tussen 30 en 87 sluiten. Op pin 86 staat 12 volt en op pin 85 0,1 volt ten opzichte van massa. Dit betekent dat er een stuurstroom loopt en de spanning in de spoel wordt verbruikt. Het stuurstroomcircuit is dus in orde.

Op pin 30 staat 0 volt ten opzichte van massa. Het relais heeft het hoofdstroomcircuit weliswaar gesloten, maar als er niets ín gaat, kan er ook niets worden doorgeschakeld. In dit geval is de zekering defect.

Een zekering gaat niet zomaar defect. Er is sprake geweest van een te hoge stroomsterkte door de zekering, dus het is van belang om te zoeken naar de oorzaak. Er kunnen bijvoorbeeld te veel verbruikers op de zekering zijn aangesloten (denk aan meerdere 12 volt aansluitingen voor accessoires), of er is in het verleden een zekering gemonteerd met een verkeerde waarde.

Storing 5: het relais schakelt in, maar de verbruiker functioneert niet
Op het moment dat de spanningen op de vier aansluitingen van het relais in orde zijn, weet je zeker dat het relais goed wordt aangestuurd, de ingangsspanningen goed zijn en het relais correct functioneert. De spanning op pin 87 wordt 12 volt op het moment dat het relais is ingeschakeld en wordt weer 0 volt bij het uitschakelen.

Op het moment dat de verbruiker dan toch niet werkt, is de kans groot dat de verbruiker zelf defect is, of dat er een draadbreuk tussen het relais en de verbruiker, of de verbruiker en massa aanwezig is. Een V4-meting over de verbruiker zal in dat geval uitkomst bieden om de locatie van de storing te achterhalen.

Op het moment dat de spanning over de verbruiker gelijk is aan de accuspanning, dus 12 volt, dan is de verbruiker defect. In dit voorbeeld is de gloeidraad van de lamp gebroken.

Storing 6: het relais schakelt in, de verbruiker functioneert, maar niet goed genoeg
De verbruiker werkt wel, maar op halve kracht. Bij een lamp is dit te herkennen aan zwak branden, wat vooral opvalt als er meerdere lampen branden en er één afwijkt qua lichtsterkte. Ook kan een verbruiker een elektromotor zijn die traag draait, of een claxon die te weinig geluid produceert. In dat geval voeren we een V4-meting uit op het hoofdstroomgedeelte. Het relais schakelt de verbruiker in, dus we hoeven ons dan niet te richten op het stuurstroomgedeelte.

Met de V4-meting in de afbeelding linksonder zien we dat de lamp op 9 volt brandt, terwijl de accuspanning 12 volt is. In de V3 (van plus accu naar plus lamp) wordt een spanningsverschil van 3 volt gemeten. Dit is verloren in het pluscircuit. Vervolgmetingen zullen uitwijzen of het spanningsverlies ontstaat vóór het relais, ín het relais of ná het relais (tussen pin 87 en B1). In de afbeelding rechtsonder is te zien dat het spanningsverschil over het relais (30 ten opzichte van 87) 3 volt bedraagt. Het spanningsverlies ontstaat in het relais. De contacten van het schakelaartje zijn vervuild of ingebrand, waardoor er een overgangsweerstand is ontstaan.

Samenvatting:
Door de uitgebreide storingsbeschrijving en de grote afbeeldingen, wordt hier de samenvatting opgesomd van de verschillende storingen met oorzaak:

storing 1: het relais schakelt niet in omdat de relaisspoel is onderbroken. Er kan geen stroom meer door de spoel lopen, waardoor de spoel niet meer magnetisch kan worden. Met een weerstandmeting kan de breuk worden opgespoord: rond de 60 á 80 ohm is goed, oneindig hoog betekent onderbreking;
storing 2: het relais schakelt niet in doordat de draad tussen pin 85 (uitgang stuurstroom) in de schakelaar is onderbroken. De spanning op pin 85 blijft in dat geval 12 volt, ook wanneer hij wordt ingeschakeld;
storing 3: het relais blijft plakken, waardoor de verbruiker aan blijft staan. Op pin 87 blijft de spanning 12 volt, ook al wordt het relais niet aangestuurd. Dit kan worden opgemerkt doordat het wordt gezien of gehoord, maar bij een “stille” (clandestiene) verbruiker wordt de accu leeggetrokken;
storing 4: het relais schakelt in, maar door een defecte zekering gaat de verbruiker niet werken;
storing 5: doordat de verbruiker defect is, functioneert hij niet meer. Met de vier metingen op het relais is uitgesloten dat het aan de aansturing ligt;
storing 6: een overgangsweerstand zorgt voor een minder goed functionerende verbruiker / actuator. Met de V4-meting kan de locatie van de overgangsweerstand worden opgespoord. In het voorbeeld wordt er een spanningsverschil over het schakelaartje tussen 30 en 87 gemeten, wat aantoont dat er spanningsverlies als gevolg van de overgangsweerstand in het relais aanwezig is.

Conclusie:
Met de zes mogelijke storingsoorzaken die we in voertuigen kunnen tegenkomen, is zichtbaar gemaakt hoe groot het belang is van de kennis en vaardigheden om de spanningen op het relais te meten. Het meten van de vier aansluitingen geeft al snel een zoekrichting, en weet men al snel of er in de ingang of uitgang stuurstroom, ingang of uitstroom hoofdstroom, of ín het relais iets misgaat.

Locaties van relais:
Vaak zijn relais op één plek in de auto gemonteerd. Dat kan in de zekeringenkast zijn (zoals in de afbeelding) of op een aparte relaisplaat. Ook kunnen er nog relais in de motorruimte zijn gemonteerd, zoals het relais van de motorkoelventilator. De relaisposities zijn terug te vinden in het instructieboekje en / of de werkplaatsdocumentatie van de auto.

Gerelateerde pagina’s: