Maximieren Sie die Leistung und Zuverlässigkeit von Relais und schützen Sie gleichzeitig den Steuerschaltkreis vor spuleninduzierten Spannungen
Dieser Anwendungshinweis behandelt Probleme hinsichtlich der Methoden, mit denen elektromagnetische Relaisspulen entregt werden, speziell bei Verwendung eines Halbleiterschalters, sowie deren Auswirkung auf die Lebensdauer des Relais.
Sie befasst sich in erster Linie mit dem Abschaltzyklus des Relais und erörtert
- die Anker- und Schaltdynamik des Relaissystems bei der Entregung der Spule..
- Wie spuleninduzierte Spannungen auftreten.
- Techniken zum Schutz des Festkörperschalters.
- Die nachteilige Auswirkung einer einfachen Spulenunterdrückungsdiode auf die Schaltdynamik von Relais und die Kontaktlebensdauer.
- Das typische „Kleben“ zwischen Gegenkontakten und die reduzierte Fähigkeit zu öffnen, wenn Diodenunterdrückung verwendet wird.
- Wie die Zugabe einer Zenerdiode zu einer gewöhnlichen Diode sowohl Spannungsunterdrückung als auch zuverlässige Schaltleistung bieten kann.
Die Relais-Abschaltung oder der „Abfall“ in typischen Klapperrelais entwickelt sich normalerweise wie folgt: Wenn die Spulenversorgung unterbrochen wird, fällt der magnetische Fluss bis zu dem Punkt ab, an dem die abnehmende magnetische Haltekraft (Versuch, den Anker auf dem Sitz zu halten) unter die Federkräfte fällt (Versuch, den Anker zu lösen), und die Ankeröffnung beginnt. Mit fortschreitender Ankeröffnung nehmen die Federkräfte entsprechend der Ankerposition ab; die Gegenmagnetkraft nimmt jedoch sowohl mit der Ankerposition als auch mit dem Abfall des Spulenstroms ab (beides reduziert den Spulenmagnetfluss). Wenn der elektrische Strom in einer Relaisspule unterbrochen wird, kann eine induzierte Spannungsschwankung in der Größenordnung von Hunderten oder sogar Tausenden von Volt über dieser Spule erzeugt werden, wenn ihr magnetischer Fluss, der durch die Spulenwindungen verbunden ist, zusammenbricht. Diese induzierte Spannung erscheint zusammen mit der Spulenversorgungsspannung, wie in Abb. 1 dargestellt, über dem Spulen-Unterbrechungsschalter in einem einfachen Reihenschaltkreis.
Abbildung 1 - Betrieb- und Entriegelungsdynamikspule V & I, typisches DC-Relais ohne Diode
In den heutigen Logiksteuerungssystemen wird häufig ein Festkörperschalter zur Betätigung eines Gleichstrom-Spulenrelais verwendet, und dieser Schalter wird durch verschiedene Unterdrückungstechniken vor den durch die Spulenentregung induzierten Spannungen geschützt. Diese Techniken werden häufig mit Hilfe von Spulenrangiermitteln durchgeführt, um die Plötzlichkeit der Spulenstromunterbrechung und die daraus resultierende hohe Rate des Zusammenbruchs des magnetischen Spulenflusses zu mildern.
Eine sehr häufige Praxis ist es, einfach die Spule mit einer Allzweckdiode zu überbrücken, die Diode zu platzieren, um die Quellspannung zu blockieren und mit der umgekehrten Polarität der spuleninduzierten Spannung zu leiten. Dadurch wird ein Weg geschaffen, auf dem der in der stromlosen Spule fließende Strom von außen in die Spule zurückgeleitet wird, wodurch die Größe der durch die Spule induzierten Spannung auf den Vorwärtsabfall der Diode begrenzt wird, der den Spulenstrom und den daraus resultierenden magnetischen Fluss langsam abklingen lässt (siehe Abb. 2).
Abbildung 2 – Betrieb- und Entriegelungsdynamikspule V & I, typisches DC-Relais mit Diode
Dieser Dioden-Shunt bietet maximalen Schutz für den Festkörperschalter, kann aber sehr nachteilige Auswirkungen auf die Schaltfähigkeit des Relais haben. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Nettokraft, die zur Verfügung steht, um den Anker zu lösen, der Unterschied zwischen den magnetischen Haltekräften und den Federöffnungskräften ist, dass jede dieser Kräfte in einer Weise variiert, die dazu führt, dass die Netzkraft sowohl mit der Zeit als auch mit der Zugposition variiert. Es ist diese Netzkraft, die die Geschwindigkeit des Ankersystems und die Energie des Momentums hervorruft, während sie versucht, den Druck auf die Anker- und Kontaktfederübertragung zu bewirken.
Ein langsam zerfallender magnetischer Fluss (der langsamste wird mit einem einfachen Dioden-Shunt über die Spule erlebt) bedeutet, dass das geringste Nettokraftintegral zur Verfügung steht, um das Öffnen des Ankers zu beschleunigen. Tatsächlich kann ein rascher Verlust der Öffnungskräfte, die von steifen NO-Kontaktfedern geliefert werden, in Verbindung mit langsam abklingenden Magnetkräften tatsächlich eine Periode der Nettokraftumkehr verursachen, in der die Ankergeschwindigkeit verlangsamt, angehalten oder sogar vorübergehend umgekehrt wird, bis der Fluss weiter abklingt und schließlich die verfügbaren Feder-„Rückstell“-Kräfte die Fortsetzung der Übertragung ermöglichen.
Es ist ebenso wichtig zu erkennen, dass beim Schließen der Kontakte eines typischen Leistungsrelais, das sehr schnell ansteigende (z. B. ohmsche) Mittel- oder Hochstromlasten an die Spannungsquelle anschließt, eine winzige geschmolzene Grenzfläche zwischen den Gegenkontakten entsteht, die zu einer Mikroverschweißung oder -haftung führt, die bei der nächsten Öffnungsübertragung getrennt werden muss.
Die „Haft“-Kraft liegt normalerweise weit innerhalb der Fähigkeit der Netzöffnungskraft, mit Hilfe des Impulses des sich bewegenden Ankers, die Haftung zu durchbrechen und eine Kontaktübertragung zu bewirken. Der Verlust oder sogar die Umkehrung der Ankergeschwindigkeit (unter den Bedingungen des einfachen Dioden-Shuntings, wie oben beschrieben) und der damit einhergehende Verlust des Ankermomentes, der benötigt wird, um den Kontaktstab zu brechen, kann jedoch dazu führen, dass der Stab nicht brechen kann und es zu einer „Kontaktverschweißung“ kommt.
Je schneller der Spulenstrom abklingt, desto geringer ist der magnetische Rückhalt und damit die „Öffnungsfähigkeit“ von Anker und Kontaktstift.
Offensichtlich ist dies optimiert, wenn keine Unterdrückung verwendet wird. Mit einer in Reihe geschalteten Zenerdiode mit einer Allzweckdiode kann jedoch eine nahezu optimale Abklingrate erreicht werden. Wenn die Spulenquelle unterbrochen wird, wird der Spulenstrom durch diese Reihenschaltung überbrückt, wobei eine Spannung gleich der Zenerspannung (plus Vorwärtsdiodenabfall) aufrechterhalten wird, bis die Spulenenergie abgebaut ist. Dies wird in Abb. 3 veranschaulicht.
Abbildung 3 – Betrieb- und Entriegelungsdynamikspule V & I, typisches DC-Relais mit Diode und 24-V-Zener
Der Zener-Spannungswert wird gewählt, um die Spulenschalterspannung auf ein Niveau zu begrenzen, das für die Schaltleistung akzeptabel ist. Dies bietet den besten Kompromiss sowohl für den Schutz der Spulenschalter als auch für das Schaltverhalten der Relais und sollte eingesetzt werden, um ein Maximum an Relaisleistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig den Steuerkreis vor spuleninduzierten Spannungen zu schützen.
Es ist gängige Praxis in der Industrie, Relais zu testen und anschließend Leistungsbewertungen ohne Spulenunterdrückung festzulegen. Wenn Anwendungsbedingungen die Unterdrückung von spuleninduzierten Spannungen erfordern, wird empfohlen, die Leistung des Relais mit der verwendeten Unterdrückung zu bewerten.
Maximieren Sie die Leistung und Zuverlässigkeit von Relais und schützen Sie gleichzeitig den Steuerschaltkreis vor spuleninduzierten Spannungen
Dieser Anwendungshinweis behandelt Probleme hinsichtlich der Methoden, mit denen elektromagnetische Relaisspulen entregt werden, speziell bei Verwendung eines Halbleiterschalters, sowie deren Auswirkung auf die Lebensdauer des Relais.
Sie befasst sich in erster Linie mit dem Abschaltzyklus des Relais und erörtert
- die Anker- und Schaltdynamik des Relaissystems bei der Entregung der Spule..
- Wie spuleninduzierte Spannungen auftreten.
- Techniken zum Schutz des Festkörperschalters.
- Die nachteilige Auswirkung einer einfachen Spulenunterdrückungsdiode auf die Schaltdynamik von Relais und die Kontaktlebensdauer.
- Das typische „Kleben“ zwischen Gegenkontakten und die reduzierte Fähigkeit zu öffnen, wenn Diodenunterdrückung verwendet wird.
- Wie die Zugabe einer Zenerdiode zu einer gewöhnlichen Diode sowohl Spannungsunterdrückung als auch zuverlässige Schaltleistung bieten kann.
Die Relais-Abschaltung oder der „Abfall“ in typischen Klapperrelais entwickelt sich normalerweise wie folgt: Wenn die Spulenversorgung unterbrochen wird, fällt der magnetische Fluss bis zu dem Punkt ab, an dem die abnehmende magnetische Haltekraft (Versuch, den Anker auf dem Sitz zu halten) unter die Federkräfte fällt (Versuch, den Anker zu lösen), und die Ankeröffnung beginnt. Mit fortschreitender Ankeröffnung nehmen die Federkräfte entsprechend der Ankerposition ab; die Gegenmagnetkraft nimmt jedoch sowohl mit der Ankerposition als auch mit dem Abfall des Spulenstroms ab (beides reduziert den Spulenmagnetfluss). Wenn der elektrische Strom in einer Relaisspule unterbrochen wird, kann eine induzierte Spannungsschwankung in der Größenordnung von Hunderten oder sogar Tausenden von Volt über dieser Spule erzeugt werden, wenn ihr magnetischer Fluss, der durch die Spulenwindungen verbunden ist, zusammenbricht. Diese induzierte Spannung erscheint zusammen mit der Spulenversorgungsspannung, wie in Abb. 1 dargestellt, über dem Spulen-Unterbrechungsschalter in einem einfachen Reihenschaltkreis.
Abbildung 1 - Betrieb- und Entriegelungsdynamikspule V & I, typisches DC-Relais ohne Diode
In den heutigen Logiksteuerungssystemen wird häufig ein Festkörperschalter zur Betätigung eines Gleichstrom-Spulenrelais verwendet, und dieser Schalter wird durch verschiedene Unterdrückungstechniken vor den durch die Spulenentregung induzierten Spannungen geschützt. Diese Techniken werden häufig mit Hilfe von Spulenrangiermitteln durchgeführt, um die Plötzlichkeit der Spulenstromunterbrechung und die daraus resultierende hohe Rate des Zusammenbruchs des magnetischen Spulenflusses zu mildern.
Eine sehr häufige Praxis ist es, einfach die Spule mit einer Allzweckdiode zu überbrücken, die Diode zu platzieren, um die Quellspannung zu blockieren und mit der umgekehrten Polarität der spuleninduzierten Spannung zu leiten. Dadurch wird ein Weg geschaffen, auf dem der in der stromlosen Spule fließende Strom von außen in die Spule zurückgeleitet wird, wodurch die Größe der durch die Spule induzierten Spannung auf den Vorwärtsabfall der Diode begrenzt wird, der den Spulenstrom und den daraus resultierenden magnetischen Fluss langsam abklingen lässt (siehe Abb. 2).
Abbildung 2 – Betrieb- und Entriegelungsdynamikspule V & I, typisches DC-Relais mit Diode
Dieser Dioden-Shunt bietet maximalen Schutz für den Festkörperschalter, kann aber sehr nachteilige Auswirkungen auf die Schaltfähigkeit des Relais haben. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Nettokraft, die zur Verfügung steht, um den Anker zu lösen, der Unterschied zwischen den magnetischen Haltekräften und den Federöffnungskräften ist, dass jede dieser Kräfte in einer Weise variiert, die dazu führt, dass die Netzkraft sowohl mit der Zeit als auch mit der Zugposition variiert. Es ist diese Netzkraft, die die Geschwindigkeit des Ankersystems und die Energie des Momentums hervorruft, während sie versucht, den Druck auf die Anker- und Kontaktfederübertragung zu bewirken.
Ein langsam zerfallender magnetischer Fluss (der langsamste wird mit einem einfachen Dioden-Shunt über die Spule erlebt) bedeutet, dass das geringste Nettokraftintegral zur Verfügung steht, um das Öffnen des Ankers zu beschleunigen. Tatsächlich kann ein rascher Verlust der Öffnungskräfte, die von steifen NO-Kontaktfedern geliefert werden, in Verbindung mit langsam abklingenden Magnetkräften tatsächlich eine Periode der Nettokraftumkehr verursachen, in der die Ankergeschwindigkeit verlangsamt, angehalten oder sogar vorübergehend umgekehrt wird, bis der Fluss weiter abklingt und schließlich die verfügbaren Feder-„Rückstell“-Kräfte die Fortsetzung der Übertragung ermöglichen.
Es ist ebenso wichtig zu erkennen, dass beim Schließen der Kontakte eines typischen Leistungsrelais, das sehr schnell ansteigende (z. B. ohmsche) Mittel- oder Hochstromlasten an die Spannungsquelle anschließt, eine winzige geschmolzene Grenzfläche zwischen den Gegenkontakten entsteht, die zu einer Mikroverschweißung oder -haftung führt, die bei der nächsten Öffnungsübertragung getrennt werden muss.
Die „Haft“-Kraft liegt normalerweise weit innerhalb der Fähigkeit der Netzöffnungskraft, mit Hilfe des Impulses des sich bewegenden Ankers, die Haftung zu durchbrechen und eine Kontaktübertragung zu bewirken. Der Verlust oder sogar die Umkehrung der Ankergeschwindigkeit (unter den Bedingungen des einfachen Dioden-Shuntings, wie oben beschrieben) und der damit einhergehende Verlust des Ankermomentes, der benötigt wird, um den Kontaktstab zu brechen, kann jedoch dazu führen, dass der Stab nicht brechen kann und es zu einer „Kontaktverschweißung“ kommt.
Je schneller der Spulenstrom abklingt, desto geringer ist der magnetische Rückhalt und damit die „Öffnungsfähigkeit“ von Anker und Kontaktstift.
Offensichtlich ist dies optimiert, wenn keine Unterdrückung verwendet wird. Mit einer in Reihe geschalteten Zenerdiode mit einer Allzweckdiode kann jedoch eine nahezu optimale Abklingrate erreicht werden. Wenn die Spulenquelle unterbrochen wird, wird der Spulenstrom durch diese Reihenschaltung überbrückt, wobei eine Spannung gleich der Zenerspannung (plus Vorwärtsdiodenabfall) aufrechterhalten wird, bis die Spulenenergie abgebaut ist. Dies wird in Abb. 3 veranschaulicht.
Abbildung 3 – Betrieb- und Entriegelungsdynamikspule V & I, typisches DC-Relais mit Diode und 24-V-Zener
Der Zener-Spannungswert wird gewählt, um die Spulenschalterspannung auf ein Niveau zu begrenzen, das für die Schaltleistung akzeptabel ist. Dies bietet den besten Kompromiss sowohl für den Schutz der Spulenschalter als auch für das Schaltverhalten der Relais und sollte eingesetzt werden, um ein Maximum an Relaisleistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig den Steuerkreis vor spuleninduzierten Spannungen zu schützen.
Es ist gängige Praxis in der Industrie, Relais zu testen und anschließend Leistungsbewertungen ohne Spulenunterdrückung festzulegen. Wenn Anwendungsbedingungen die Unterdrückung von spuleninduzierten Spannungen erfordern, wird empfohlen, die Leistung des Relais mit der verwendeten Unterdrückung zu bewerten.
