Verwendung von Filterung zum Betrieb jeder Relaisspule
Eine Relaisspule ist ein Kupferdraht, der viele Male um einen Spulenträger mit einem Eisenkern gewickelt ist. Wenn eine ausreichend hohe Spannung auf die Spule einwirkt, entwickeln die Spule und der Kern eine Magnetkraft, die den Relaisanker anzieht. Der Anker wiederum steuert die Kontaktbewegung. Je nach Gesamtlänge des Leiters und dessen Querschnittbereich übt die Spule einen bestimmten Widerstand auf den Fluss des elektrischen Stroms aus. Nach dem Ohmschen Gesetz ist bei einem gegebenen Widerstandswert der Strom direkt proportional zur Spannung. Das heißt:
Eine 12-V-Gleichstromspule mit einem Widerstand von 120 Ohm 0,1 Ampere Strom zieht. Einige Relaisspulen akzeptieren DC-Spannung, während andere AC-Spannung akzeptieren. DC-Spannung (Gleichstrom) hat einen konstanten, unveränderlichen Wert. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt misst eine 12-V-DC-Stromquelle genau 12 Volt (normalerweise einige Zehntel Volt mehr oder weniger). (Siehe Abb. 1A)
Eine 12-V-Gleichstromspule mit einem Widerstand von 120 Ohm 0,1 Ampere Strom zieht. Einige Relaisspulen akzeptieren DC-Spannung, während andere AC-Spannung akzeptieren. DC-Spannung (Gleichstrom) hat einen konstanten, unveränderlichen Wert. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt misst eine 12-V-DC-Stromquelle genau 12 Volt (normalerweise einige Zehntel Volt mehr oder weniger). (Siehe Abb. 1A)
Abbildung 1A. Gleichspannung in Wellenform.
Die AC-Spannung (Wechselstrom) hingegen verändert sich ständig im Wert. Wie in Lektion 2 der Selbstlernserie „Relais verstehen“ von Siemens Electromechanical Components dargestellt, ändert sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Spannung auf einer 120-V-Wechselstromleitung. (Siehe Abb. 1B) Das heißt, die Spannung beginnt bei Null, steigt bis zu einer AC-Spannung (Wechselstrom) und ändert sich umgekehrt ständig im Wert. Wie in Lektion 2 der Selbstlernserie „Relais verstehen“ von Siemens Electromechanical Components dargestellt, ändert sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Spannung auf einer 120-V-Wechselstromleitung. (Siehe Abb. 1B)
Abbildung 1B. Wechselstrom in Wellenform
Das heißt, die Spannung beginnt bei Null, steigt auf einen Spitzenwert, sinkt auf Null, durchquert den Nullpunkt und steigt in entgegengesetzter Richtung auf den Spitzenwert an und sinkt dann wieder auf Null. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich.
Nehmen wir an, dass dieser 120 V AC in 12 Volt transformiert und über die 12-V-DC-Spule aufgeprägt werden soll. Eine Messung des Spulenstroms würde zeigen, dass in der Spule (und dem zugehörigen Stromkreis) wesentlich weniger als der nach dem Ohmschen Gesetz berechnete Strom fließen würde. Diese Reduzierung des Spulenstroms ist das Ergebnis der Impedanz, die die Spule dem Wechselstrom darstellt. (Impedanz ist eine Funktion der Induktivität und ist nur vorhanden, wenn Wechselstrom fließt.)
Um seinen Anker zu betreiben, muss eine gewisse Leistung in der Relaisspule entwickelt werden. Da die Leistung das Produkt aus Strom zum Quadrat des Widerstandes (P = I2 R) ist, wäre die in der Spule entwickelte Leistung wesentlich geringer als die für einen ordnungsgemäßen Relaisbetrieb erforderliche. Um die erforderliche Leistung zu entwickeln, müsste die Spulenspannung auf den Wert erhöht werden, bei dem genügend Strom fließt.
Theoretisch kann also AC verwendet werden, um ein DC-Relais zu betreiben. In Wirklichkeit ist dies jedoch unpraktisch. Da der Wechselstrom bei jeder Halbwelle auf Null sinkt (120 Mal pro Sekunde bei einer Spannung von 60 Zyklen), neigt der Relaisanker dazu, sich bei jeder Halbwelle zu lösen. Diese kontinuierliche Bewegung der Armatur verursacht nicht nur ein hörbares "Buzz", sondern wird auch dazu führen, dass sich die Kontakte öffnen und schließen, wenn sich der Anker bewegt.
Um ein Relais mit Wechselstrom zu betreiben, verwenden Relaishersteller auf dem Kern eine Vorrichtung, die als Shader-Ring (oder Shader-Spule) bekannt ist. (Siehe Abb. 2). Wegen des Shader-Rings entwickelt sich der Magnetismus in einem Teil des Kerns etwas langsamer als der Magnetismus des restlichen Kerns. Das bedeutet, es gibt eine leichte Phasenverschiebung zwischen dem Magnetismus eines Teils des Kerns und dem Rest des Kerns. Da also die magnetische Energie des nicht vom Shader beeinflussten Kerns bei jedem Halbzyklus auf Null sinkt, sinkt die magnetische Energie bei jedem Halbzyklus auf Null, und die im vom Shader beeinflussten Teil des Kerns noch vorhandene magnetische Energie hält den Anker dicht. Wenn die Energie im vom Shader beeinflussten Teil auf Null sinkt, beginnen die magnetische Energie der Spule und des nicht vom Shader beeinflussten Kerns mit zunehmendem Strom wieder anzusteigen.
Abb. 2 – AC-Spulen verwenden einen Shader-Ring, um zu verhindern, dass der Relaisanker freikommt, wenn die magnetische Energie bei jeder Wechselstrom-Halbwelle auf Null sinkt.
„Shading“ des Relais der R10 Serie (AC-Spule)
Die R10-Relais (und Wettbewerbsrelais) verwenden eine einzigartige Methode zum Abschirmung der Spule. Wie in Abb. 3 gezeigt, leitet Diode M1 Strom durch die untere Hälfte der Spule, wenn die Wechselspannung auf der Oberseite der Spule negativ wird.
Da M1 parallel zur oberen Hälfte der Spule verläuft, ist kein Strom in der oberen Hälfte der Spule vorhanden. Infolge der Magnetisierung einer Spulenhälfte und des daraus resultierenden Kernmagnetismus wird jedoch in der oberen Hälfte der Spule magnetische Energie erzeugt. Diese magnetische Energie hinkt der der leitenden Hälfte der Spule etwas hinterher und dient, wie gerade beschrieben, dazu, den Anker verriegelt zu halten, wenn der Strom auf Null sinkt.
Wenn die Wechselspannung umkehrt, leitet die Diode M2 und M1 schaltet sich aus. Der Spulenstrom ist nun in der oberen Hälfte der Spule vorhanden und erzeugt Magnetismus der gleichen Polarität wie der aus dem vorherigen Halbzyklus verbleibende. Somit hat der Anker keine Chance, sich zu entriegeln. Nach wie vor dient der nicht leitende Teil der Spule als Shader, um den Anker verriegelt zu halten. Eine Diode kann in Reihe mit einer Relaisspule verwendet werden und dient zur Korrektur der Wechselspannung. Eine Diode sollte jedoch niemals parallel zur Spule in einem Wechselstromkreis platziert werden. Dies würde dazu führen, dass die Diode leitend ist und nicht das Relais, da die Spannung an der Diode negativ schwingt. (Außerdem wird die Diode beim ersten Mal, wenn sie leitend ist, zerstört, weil nichts in Reihe mit ihr geschaltet ist, um den Strom zu begrenzen).
DC auf einem AC-Relais
Ebenso wie es unpraktisch ist, ein DC-Relais von AC aus zu betreiben, ist es ebenso unpraktisch, ein AC-Relais von DC aus zu betreiben. Im Notfall kann jedoch ein AC-Relais von DC aus betrieben werden – vorausgesetzt, es werden bestimmte Vorsichtsmaßnahmen getroffen. Die erste Vorsichtsmaßnahme besteht darin, eine Art Restunterbrechung zwischen dem Relaiskern und dem Anker vorzusehen, um zu verhindern, dass der Anker infolge eines nennenswerten Restmagnetismus, der nach dem Abschalten der Spulenspannung im Kern verbleibt, „klebt“. Die zweite Vorsichtsmaßnahme, die getroffen werden sollte, besteht darin, sicherzustellen, dass die verwendete Gleichspannung geringer ist als die Nennwechselspannung der Spule.
In Bezug auf die Restbruchstelle sind Wechselstromrelais so konstruiert, dass der Anker in seiner Sitzposition physisch (magnetisch) den Kern berührt. (Bei DC-Relais verhindert ein kleiner Kupferstift im Anker effektiv, dass dieser in magnetischen Kontakt mit dem Kern kommt.) Solange das Wechselstromrelais mit Wechselspannung betrieben wird, gibt es kein Problem mit Restmagnetismus, der den Anker nach Freigabe der Spulenleistung in Position hält. Aber wenn ein AC-Relais von Gleichspannung aus betrieben wird, besteht die Gefahr, dass der Restmagnetismus den Anker verriegelt hält. Zumindest bewirkt das Vorhandensein von Restmagnetismus im Kern eine Verringerung der Abfallspannung des Relais.
Um die Auswirkungen des Restmagnetismus zu negieren, kann ein kleines Stück Mylarband an der Oberseite des AC-Relaiskerns angebracht werden. Dieses Band ist extrem langlebig und sollte vielleicht Hunderte (wenn nicht Tausende) von Operationen überdauern. Das Band sollte eine Dicke von 0,005 cm bis 0,01 cm haben.
Bezüglich der erforderlichen Reduzierung der Spulenspannung ist die Relaisspule der Serie KR zu berücksichtigen. Die 12-V-AC-Spule hat einen DC-Widerstand von 24 Ohm. Gemäß des Ohmschen Gesetzes entsprechen 12 Volt geteilt durch 24 Ohm 0,5 Ampere. Wie jedoch auf dem KR-Datenblatt angegeben, zieht die Spule tatsächlich nur 0,168 Ampere! (Dies ist das Ergebnis der Spulenimpedanz.) Diese 0,168 Ampere bewirken, dass die Spule genügend Leistung entwickelt, um die beabsichtigte Arbeit auszuführen. Die 0,5 Ampere würden jedoch zur Entwicklung einer Leistung von 6 Watt führen. Dies liegt weit über dem zulässigen Maximum. Dadurch würde die Spule überhitzen und die Drahtisolierung abbrennen. Dann würden die Windungen der Spule gemeinsam kurzschließen. Die Spule würde noch mehr Strom ziehen und schließlich vollständig ausbrennen.
Die Verwendung einer AC-Spule an einer DC-Spule erfordert eine Senkung der Gleichspannung auf den Wert, bei dem die Spulenleistung innerhalb der maximalen Grenzen liegt. Die KR Serie ist erneut zu berücksichtigen. Das offene Gerät hat eine maximale Nennleistung von 4 Watt. So kann die Gleichspannungsmenge zur Verwendung mit einer 12-V-Wechselstromspule mit einem Gleichstromwiderstand von 24 Ohm bestimmt werden:
Die Gleichspannung kann also 9,8 Volt nicht überschreiten. Da das Datenblatt den Aufnahmewert bei Verwendung von Gleichspannung mit 75 % des Nennwerts angibt, sollte die Gleichspannung in diesem Beispiel nicht niedriger als 7,35 Volt sein.
Bei Verwendung gleichgerichteter Wechselspannung zum Betrieb einer Relaisspule ist es am besten, eine Filterung zu verwenden. Wie in Abb. 4A dargestellt, hat gleichgerichteter, aber ungefilterter Wechselstrom Spannungsspitzen und -tiefen, d. h. Maximal- und Minimalwerte. Sollten die Mindestwerte 75 % oder weniger der Nennspannung betragen, kann es zu Bewegungen im Anker kommen. Wie in Abb. 4B gezeigt, eliminiert die Filterung Welligkeit. Daher wird gleichgerichtete und ordnungsgemäß gefilterte Wechselspannung keine nennenswerte Welligkeit aufweisen.
Abbildung 4A.
Abbildung 4B.
Verwendung von Filterung zum Betrieb jeder Relaisspule
Eine Relaisspule ist ein Kupferdraht, der viele Male um einen Spulenträger mit einem Eisenkern gewickelt ist. Wenn eine ausreichend hohe Spannung auf die Spule einwirkt, entwickeln die Spule und der Kern eine Magnetkraft, die den Relaisanker anzieht. Der Anker wiederum steuert die Kontaktbewegung. Je nach Gesamtlänge des Leiters und dessen Querschnittbereich übt die Spule einen bestimmten Widerstand auf den Fluss des elektrischen Stroms aus. Nach dem Ohmschen Gesetz ist bei einem gegebenen Widerstandswert der Strom direkt proportional zur Spannung. Das heißt:
Eine 12-V-Gleichstromspule mit einem Widerstand von 120 Ohm 0,1 Ampere Strom zieht. Einige Relaisspulen akzeptieren DC-Spannung, während andere AC-Spannung akzeptieren. DC-Spannung (Gleichstrom) hat einen konstanten, unveränderlichen Wert. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt misst eine 12-V-DC-Stromquelle genau 12 Volt (normalerweise einige Zehntel Volt mehr oder weniger). (Siehe Abb. 1A)
Eine 12-V-Gleichstromspule mit einem Widerstand von 120 Ohm 0,1 Ampere Strom zieht. Einige Relaisspulen akzeptieren DC-Spannung, während andere AC-Spannung akzeptieren. DC-Spannung (Gleichstrom) hat einen konstanten, unveränderlichen Wert. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt misst eine 12-V-DC-Stromquelle genau 12 Volt (normalerweise einige Zehntel Volt mehr oder weniger). (Siehe Abb. 1A)
Abbildung 1A. Gleichspannung in Wellenform.
Die AC-Spannung (Wechselstrom) hingegen verändert sich ständig im Wert. Wie in Lektion 2 der Selbstlernserie „Relais verstehen“ von Siemens Electromechanical Components dargestellt, ändert sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Spannung auf einer 120-V-Wechselstromleitung. (Siehe Abb. 1B) Das heißt, die Spannung beginnt bei Null, steigt bis zu einer AC-Spannung (Wechselstrom) und ändert sich umgekehrt ständig im Wert. Wie in Lektion 2 der Selbstlernserie „Relais verstehen“ von Siemens Electromechanical Components dargestellt, ändert sich zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Spannung auf einer 120-V-Wechselstromleitung. (Siehe Abb. 1B)
Abbildung 1B. Wechselstrom in Wellenform
Das heißt, die Spannung beginnt bei Null, steigt auf einen Spitzenwert, sinkt auf Null, durchquert den Nullpunkt und steigt in entgegengesetzter Richtung auf den Spitzenwert an und sinkt dann wieder auf Null. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich.
Nehmen wir an, dass dieser 120 V AC in 12 Volt transformiert und über die 12-V-DC-Spule aufgeprägt werden soll. Eine Messung des Spulenstroms würde zeigen, dass in der Spule (und dem zugehörigen Stromkreis) wesentlich weniger als der nach dem Ohmschen Gesetz berechnete Strom fließen würde. Diese Reduzierung des Spulenstroms ist das Ergebnis der Impedanz, die die Spule dem Wechselstrom darstellt. (Impedanz ist eine Funktion der Induktivität und ist nur vorhanden, wenn Wechselstrom fließt.)
Um seinen Anker zu betreiben, muss eine gewisse Leistung in der Relaisspule entwickelt werden. Da die Leistung das Produkt aus Strom zum Quadrat des Widerstandes (P = I2 R) ist, wäre die in der Spule entwickelte Leistung wesentlich geringer als die für einen ordnungsgemäßen Relaisbetrieb erforderliche. Um die erforderliche Leistung zu entwickeln, müsste die Spulenspannung auf den Wert erhöht werden, bei dem genügend Strom fließt.
Theoretisch kann also AC verwendet werden, um ein DC-Relais zu betreiben. In Wirklichkeit ist dies jedoch unpraktisch. Da der Wechselstrom bei jeder Halbwelle auf Null sinkt (120 Mal pro Sekunde bei einer Spannung von 60 Zyklen), neigt der Relaisanker dazu, sich bei jeder Halbwelle zu lösen. Diese kontinuierliche Bewegung der Armatur verursacht nicht nur ein hörbares "Buzz", sondern wird auch dazu führen, dass sich die Kontakte öffnen und schließen, wenn sich der Anker bewegt.
Um ein Relais mit Wechselstrom zu betreiben, verwenden Relaishersteller auf dem Kern eine Vorrichtung, die als Shader-Ring (oder Shader-Spule) bekannt ist. (Siehe Abb. 2). Wegen des Shader-Rings entwickelt sich der Magnetismus in einem Teil des Kerns etwas langsamer als der Magnetismus des restlichen Kerns. Das bedeutet, es gibt eine leichte Phasenverschiebung zwischen dem Magnetismus eines Teils des Kerns und dem Rest des Kerns. Da also die magnetische Energie des nicht vom Shader beeinflussten Kerns bei jedem Halbzyklus auf Null sinkt, sinkt die magnetische Energie bei jedem Halbzyklus auf Null, und die im vom Shader beeinflussten Teil des Kerns noch vorhandene magnetische Energie hält den Anker dicht. Wenn die Energie im vom Shader beeinflussten Teil auf Null sinkt, beginnen die magnetische Energie der Spule und des nicht vom Shader beeinflussten Kerns mit zunehmendem Strom wieder anzusteigen.
Abb. 2 – AC-Spulen verwenden einen Shader-Ring, um zu verhindern, dass der Relaisanker freikommt, wenn die magnetische Energie bei jeder Wechselstrom-Halbwelle auf Null sinkt.
„Shading“ des Relais der R10 Serie (AC-Spule)
Die R10-Relais (und Wettbewerbsrelais) verwenden eine einzigartige Methode zum Abschirmung der Spule. Wie in Abb. 3 gezeigt, leitet Diode M1 Strom durch die untere Hälfte der Spule, wenn die Wechselspannung auf der Oberseite der Spule negativ wird.
Da M1 parallel zur oberen Hälfte der Spule verläuft, ist kein Strom in der oberen Hälfte der Spule vorhanden. Infolge der Magnetisierung einer Spulenhälfte und des daraus resultierenden Kernmagnetismus wird jedoch in der oberen Hälfte der Spule magnetische Energie erzeugt. Diese magnetische Energie hinkt der der leitenden Hälfte der Spule etwas hinterher und dient, wie gerade beschrieben, dazu, den Anker verriegelt zu halten, wenn der Strom auf Null sinkt.
Wenn die Wechselspannung umkehrt, leitet die Diode M2 und M1 schaltet sich aus. Der Spulenstrom ist nun in der oberen Hälfte der Spule vorhanden und erzeugt Magnetismus der gleichen Polarität wie der aus dem vorherigen Halbzyklus verbleibende. Somit hat der Anker keine Chance, sich zu entriegeln. Nach wie vor dient der nicht leitende Teil der Spule als Shader, um den Anker verriegelt zu halten. Eine Diode kann in Reihe mit einer Relaisspule verwendet werden und dient zur Korrektur der Wechselspannung. Eine Diode sollte jedoch niemals parallel zur Spule in einem Wechselstromkreis platziert werden. Dies würde dazu führen, dass die Diode leitend ist und nicht das Relais, da die Spannung an der Diode negativ schwingt. (Außerdem wird die Diode beim ersten Mal, wenn sie leitend ist, zerstört, weil nichts in Reihe mit ihr geschaltet ist, um den Strom zu begrenzen).
DC auf einem AC-Relais
Ebenso wie es unpraktisch ist, ein DC-Relais von AC aus zu betreiben, ist es ebenso unpraktisch, ein AC-Relais von DC aus zu betreiben. Im Notfall kann jedoch ein AC-Relais von DC aus betrieben werden – vorausgesetzt, es werden bestimmte Vorsichtsmaßnahmen getroffen. Die erste Vorsichtsmaßnahme besteht darin, eine Art Restunterbrechung zwischen dem Relaiskern und dem Anker vorzusehen, um zu verhindern, dass der Anker infolge eines nennenswerten Restmagnetismus, der nach dem Abschalten der Spulenspannung im Kern verbleibt, „klebt“. Die zweite Vorsichtsmaßnahme, die getroffen werden sollte, besteht darin, sicherzustellen, dass die verwendete Gleichspannung geringer ist als die Nennwechselspannung der Spule.
In Bezug auf die Restbruchstelle sind Wechselstromrelais so konstruiert, dass der Anker in seiner Sitzposition physisch (magnetisch) den Kern berührt. (Bei DC-Relais verhindert ein kleiner Kupferstift im Anker effektiv, dass dieser in magnetischen Kontakt mit dem Kern kommt.) Solange das Wechselstromrelais mit Wechselspannung betrieben wird, gibt es kein Problem mit Restmagnetismus, der den Anker nach Freigabe der Spulenleistung in Position hält. Aber wenn ein AC-Relais von Gleichspannung aus betrieben wird, besteht die Gefahr, dass der Restmagnetismus den Anker verriegelt hält. Zumindest bewirkt das Vorhandensein von Restmagnetismus im Kern eine Verringerung der Abfallspannung des Relais.
Um die Auswirkungen des Restmagnetismus zu negieren, kann ein kleines Stück Mylarband an der Oberseite des AC-Relaiskerns angebracht werden. Dieses Band ist extrem langlebig und sollte vielleicht Hunderte (wenn nicht Tausende) von Operationen überdauern. Das Band sollte eine Dicke von 0,005 cm bis 0,01 cm haben.
Bezüglich der erforderlichen Reduzierung der Spulenspannung ist die Relaisspule der Serie KR zu berücksichtigen. Die 12-V-AC-Spule hat einen DC-Widerstand von 24 Ohm. Gemäß des Ohmschen Gesetzes entsprechen 12 Volt geteilt durch 24 Ohm 0,5 Ampere. Wie jedoch auf dem KR-Datenblatt angegeben, zieht die Spule tatsächlich nur 0,168 Ampere! (Dies ist das Ergebnis der Spulenimpedanz.) Diese 0,168 Ampere bewirken, dass die Spule genügend Leistung entwickelt, um die beabsichtigte Arbeit auszuführen. Die 0,5 Ampere würden jedoch zur Entwicklung einer Leistung von 6 Watt führen. Dies liegt weit über dem zulässigen Maximum. Dadurch würde die Spule überhitzen und die Drahtisolierung abbrennen. Dann würden die Windungen der Spule gemeinsam kurzschließen. Die Spule würde noch mehr Strom ziehen und schließlich vollständig ausbrennen.
Die Verwendung einer AC-Spule an einer DC-Spule erfordert eine Senkung der Gleichspannung auf den Wert, bei dem die Spulenleistung innerhalb der maximalen Grenzen liegt. Die KR Serie ist erneut zu berücksichtigen. Das offene Gerät hat eine maximale Nennleistung von 4 Watt. So kann die Gleichspannungsmenge zur Verwendung mit einer 12-V-Wechselstromspule mit einem Gleichstromwiderstand von 24 Ohm bestimmt werden:
Die Gleichspannung kann also 9,8 Volt nicht überschreiten. Da das Datenblatt den Aufnahmewert bei Verwendung von Gleichspannung mit 75 % des Nennwerts angibt, sollte die Gleichspannung in diesem Beispiel nicht niedriger als 7,35 Volt sein.
Bei Verwendung gleichgerichteter Wechselspannung zum Betrieb einer Relaisspule ist es am besten, eine Filterung zu verwenden. Wie in Abb. 4A dargestellt, hat gleichgerichteter, aber ungefilterter Wechselstrom Spannungsspitzen und -tiefen, d. h. Maximal- und Minimalwerte. Sollten die Mindestwerte 75 % oder weniger der Nennspannung betragen, kann es zu Bewegungen im Anker kommen. Wie in Abb. 4B gezeigt, eliminiert die Filterung Welligkeit. Daher wird gleichgerichtete und ordnungsgemäß gefilterte Wechselspannung keine nennenswerte Welligkeit aufweisen.
Abbildung 4A.
Abbildung 4B.
