Whitepaper: Die Anwendung von Relaisspulenbeschaltung mit DC-Relais

Dieser Anwendungshinweis wurde aufgrund der zahlreichen Anwendungsprobleme erstellt, die aus einer unsachgemäßen Relaisspulenbeschaltung resultieren. Das typische Symptom ist ein zufälliges "„Heftschweißen“" der Schließerkontakte, wenn eine induktive Last oder eine Lampenlast mit hohem Einschaltstrom geschaltet wird.

Wenn ein elektromechanisches Relais durch einen mechanischen Schalter oder Halbleiter schnell abgeschaltet wird, erzeugt das kollabierende Magnetfeld eine beträchtliche Spannungsschwankung in seinem Bemühen, die gespeicherte Energie zu zerstreuen und der plötzlichen Änderung des Stromflusses entgegenzuwirken. Ein 12-VDC-Relais kann beispielsweise beim Abschalten eine Spannung von 1.000 bis 1.500 Volt erzeugen. Mit dem Aufkommen moderner elektronischer Systeme haben diese relativ großen Störsignale für den Konstrukteur Probleme mit EMV, Halbleiterstörungen und Schalterverschleiß verursacht. Es ist daher gängige Praxis geworden, Relaisspulen mit anderen Komponenten zu unterdrücken, die die Spitzenspannung auf ein viel kleineres Niveau begrenzen.

Die grundlegenden Techniken zur Unterdrückung von Störsignal-Spannungen aus Relaisspulen sind in der Abbildung dargestellt

1. Wie hier zu beobachten ist, kann die Unterdrückungseinrichtung parallel zur Relaisspule oder parallel zu dem zur Steuerung des Relais verwendeten Schalter liegen. Normalerweise ist es vorzuziehen, die Unterdrückung parallel zur Spule zu haben, da sie näher am Relais angeordnet werden kann (außer im Falle von Leiterplattenanwendungen, wo beide verwendet werden können). Wenn die Unterdrückung parallel zur Relaisspule geschaltet ist, kann eine der folgenden Methoden verwendet werden.

A. Eine bilaterale Unterdrückungsdiode für Störsignale, die in ihren V-I-Charakteristiken zwei Zener-Dioden ähnelt, die Kathode an Kathode (oder Anode an Anode) angeschlossen sind.

B. Eine in Sperrrichtung vorgespannte Gleichrichterdiode in Reihe mit einer Zenerdiode, sodass ihre Anoden (oder Kathoden) gemeinsam sind und der Gleichrichter einen normalen Stromfluss verhindert.

C. Ein Metalloxid-Varistor (MOV).

D. Eine Gleichrichterdiode mit umgekehrter Vorspannung in Reihe mit einem Widerstand.

E. Ein Widerstand ist, wenn die Bedingungen seinen Einsatz zulassen, oft die wirtschaftlichste Unterdrückung.

F. Eine Gleichrichterdiode mit umgekehrter Vorspannung.

G. Ein "Widerstandskondensator-Dämpfer.". Im Allgemeinen die am wenigsten wirtschaftliche Lösung. Wird nicht mehr als eine praktische Lösung angesehen.

H. Eine bifilar gewickelte Spule mit der zweiten Wicklung, die als Unterdrückungsvorrichtung verwendet wird. Dies ist nicht sehr praktisch,  da es erhebliche Kosten und Größe zum Relais hinzufügt.

Die parallel zum Schaltelement verwendete Unterdrückung ist wahrscheinlich entweder eine Zenerdiode oder ein Widerstandskondensator-"Snubber." Die Bemerkungen im Zusammenhang mit der "Anwendung parallel zur Spule" gelten auch für diese Schaltung.

Unterdrücker parallel zum Schalter

Auch wenn der Einsatz von Spulenunterdrückung immer mehr an Bedeutung gewinnt, werden Relais normalerweise ohne Berücksichtigung der dynamischen Wirkung von Unterdrückern ausgelegt. Die optimale Schaltlebensdauer (für Schließerkontakte) wird daher mit einem vollständig nicht unterdrückten Relais erreicht, und Aussagen zur elektrischen Nennlebensdauer basieren in der Regel auf dieser Prämisse. Die erfolgreiche "Unterbrechung" einer DC-Last erfordert, dass sich die Relaiskontakte mit einer angemessen hohen Geschwindigkeit zum Öffnen bewegen.

Ein typisches Relais hat während des Aussetzers eine beschleunigende Bewegung seines Ankers in Richtung der unenergetisierten Ruheposition. Die Geschwindigkeit des Ankers im Moment der Kontaktöffnung spielt eine wichtige Rolle bei der Fähigkeit des Relais, "Heftschweißen" zu vermeiden, indem sie eine ausreichende Kraft zur Verfügung stellt, um alle leichten Schweißnähte zu brechen, die beim "Schließen" einer ohmschen Hochstromlast (oder einer Last mit hohem Einschaltstromstoß) entstanden sind. Es ist die Geschwindigkeit des Ankers, die am stärksten von der Spulenunterdrückung beeinflusst wird. Wenn das Entstörglied einen leitenden Weg liefert und somit die gespeicherte Energie im Magnetkreis des Relais langsam abklingen lässt, wird die Ankerbewegung verzögert und der Anker kann sogar vorübergehend die Richtung umpolen. Die Richtungsumkehr und das erneute Schließen der Kontakte (insbesondere in Kombination mit induktiven Lasten) führt häufig zu einer zufälligen, unregelmäßigen "Heftschweißung" der Kontakte, sodass sich das Relais bei erneuter Betätigung lösen oder sogar leicht brüchig werden kann.

Basierend auf den Auswirkungen auf die Ankerbewegung und der Optimierung für normalerweise offene Kontakte ist die beste Unterdrückungsmethode die Verwendung einer Silizium-Unterdrückungsdiode für Störsignale. Diese Unterdrückung hat die geringste Auswirkung auf die Relais-Ausfalldynamik, da die Relais-Störsignale bis zu einem vorbestimmten Spannungspegel gehen können und dann einen Stromfluss mit niedriger Impedanz zulassen. Dies führt dazu, dass die gespeicherte Energie schnell durch den Unterdrücker abgeführt wird. Unterdrückungsdiode für Störsignale sind als bidirektionale Komponenten erhältlich und ermöglichen es, das Relais bei interner Montage unpolarisiert zu lassen. Beachten Sie, dass bei Verwendung eines unidirektionalen Störsignalunterdrückers eine Gleichrichterdiode in Reihe dazu geschaltet werden muss, um den normalen Stromfluss zu blockieren, und dass sie gegenüber der Verwendung einer Zenerdiode kaum Vorteile hat. Der Störsignal-Unterdrücker sollte so ausgewählt werden, dass seine Impulsenergieleistung alle erwarteten Störsignale wie Spulenabschaltung oder "Motorrauschen" in der Anwendung übersteigt.

Ein Metalloxid-Varistor liefert ähnliche Ergebnisse wie eine Unterdrückungsdiode für Störsignale, hat jedoch eine höhere Impedanz im "Ein-Zustand" und ermöglicht somit die Entwicklung einer höheren Spannung. Beispielsweise kann eine 33 Volt Unterdrückungsdiode für Störsignale eine "Klemmspannung" zwischen 30 und 36 Volt haben. Im Vergleich dazu wird ein 33-Volt-MOV das Relais wahrscheinlich bei 45 bis 55 Volt klemmen (basierend auf einem typischen Kfz-Relais mit 130 mA Spulenstrom). Wenn die zusätzliche Spannung kein Problem darstellt, kann ein MOV gegenüber der Unterdrückungsdiode für Störsignale Kosten sparen und bietet außerdem ein nicht polarisiertes Relais.

Die Verwendung einer Gleichrichterdiode mit umgekehrter Vorspannung in Reihe mit einer Zenerdiode bietet die beste Lösung, wenn das Relais polarisiert werden kann. Diese Unterdrückung wird häufig von Siemens Electromechanical Components (SEC) für den Einsatz in Automobilkreisen empfohlen. Die Auswirkungen auf die Release-Dynamik sind minimal und stellen keinen Verlust an Zuverlässigkeit dar. Dies ist normalerweise eine kostengünstige Methode, und die einzige konstruktive Vorsichtsmaßnahme besteht darin, eine Zener mit einer geeigneten Durchschlagspannung und Impulsleistungsspezifikationen zu wählen, die für das Relais in seiner Anwendung geeignet sind. Bei Anwendungen auf Leiterplatten mit Transistoren als Relaistreiber kann die Zenerdiode "über" den Transistor gelegt werden, d. h. bei einer Schaltung mit gemeinsamem Emitter die Kathode mit dem Kollektor und die Anode mit dem Emitter verbunden sein (die Reihengleichrichterdiode wird in dieser Art von Schaltung nicht verwendet).

Eine Gleichrichter mit umgekehrter Vorspannung in Reihe mit einem Widerstand kann bei einigen Relais erfolgreich eingesetzt werden, wenn die maximale Lastschaltkapazität nicht erforderlich ist. Es muss darauf geachtet werden, dass ein Widerstand verwendet wird, dessen Wert groß genug ist, um die gespeicherte Energie des Relais schnell abzubauen und dennoch innerhalb der gewünschten Spitzenspannungstransienten zu bleiben. Der erforderliche Widerstandswert kann aus der folgenden Gleichung angenähert werden:

R = V_Spitze/I_Spule

Wobei folgendes gilt:

R = Widerstandswert in Ohm

V_Spitze = zulässige Spitzentransientenspannung

I_Spule = Stationärer Relais-Spulenstrom

Die tatsächlich beobachtete Spannungsspitze wird aufgrund von Energieverlusten im Widerstand niedriger sein als nach dieser Formel berechnet. Bei Verwendung dieser Art der Unterdrückung ist es am besten, den Relaishersteller für empfohlene Werte zu konsultieren.

Ein Widerstand kann auch für sich allein als Transientenunterdrücker verwendet werden, wenn die zusätzliche Verlustleistung und die daraus resultierende Wärme, die durch den Widerstand erzeugt wird, toleriert werden kann. In den meisten Situationen stellt dies die kostengünstigste Unterdrückungsmethode dar (vorausgesetzt, der Widerstandswert kann richtig dimensioniert werden, um die Auswirkungen auf die Relaisleistung zu minimieren). Diese Methode wird normalerweise von der SEC empfohlen, wenn die Anwendungsanforderungen dies zulassen.

Viele Ingenieure verwenden nur eine Gleichrichterdiode, um die Transientenunterdrückung für Relaisspulen zu gewährleisten. Dies ist zwar kostengünstig und eliminiert die transiente Spannung vollständig, aber seine Auswirkungen auf die Relaisleistung können verheerend sein. Probleme mit unerklärlichen, zufälligen "Heftschweißen" treten in diesen Systemen häufig auf. In einigen Anwendungen ist dieses Problem lediglich ein kleines Ärgernis oder eine kleine Unannehmlichkeit, und der Controller oder Bediener schaltet das Relais so lange, bis die richtige Reaktion erfolgt ist. Bei vielen Anwendungen kann jedoch das erste Auftreten zu einem kompletten Systemausfall führen oder sogar eine gefährliche Situation darstellen. Es ist wichtig, dass diese Systeme mit einer anderen Methode der Relaisunterdrückung konzipiert werden.

Um den Einfluss verschiedener Spulenunterdrückungen auf die Ansprechzeit des Relais zu veranschaulichen, betrachten Sie die folgenden Daten, die mit einem ISO-Automobilrelais mit einer 55-Ohm-Spule und mit 13,5 VDC an der Spule aufgezeichnet wurden.

Aus physikalischer Sicht besteht die vorgeschlagene Technik zur Unterdrückung von Störsignalen in der Relaisspule darin, eine verpolungssichere Gleichrichterdiode und eine in Reihe geschaltete Zenerdiode parallel zur Relaisspule zu verwenden. Dadurch kann das Relais eine optimale Trenndynamik und eine normal offene Kontaktlebensdauer haben. Eine solche Unterdrückung kann leicht in die Schaltung für Leiterplattenrelais integriert werden; Wenn Sie jedoch die Unterdrückung für ein Sockel-Relais angeben, ist diese Methode möglicherweise weniger praktisch als die Verwendung eines Widerstands.

Wenn die zulässige Transientenspannung groß genug und die Verlustleistung tolerierbar ist, kann das Relais mit einem Widerstand unterdrückt werden. Unter dem Gesichtspunkt einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (Failure Mode and Effects Analysis, FMEA) bietet der Widerstand ein geringeres zusätzliches Ausfallrisiko als die beiden oben vorgeschlagenen Dioden (vorausgesetzt, sein Wert ist hoch genug, um nachteilige Auswirkungen auf die Auslösedynamik des Relais zu vermeiden). Es ist zu beachten, dass der optimale Widerstandswert für einen Relaistyp nicht unbedingt der richtige Wert für einen anderen Typ ist.

Nachdem wir nun Vorschläge für Unterdrückungstechniken auf der Grundlage der Leistung von normalerweise geöffneten Kontakten vorgelegt haben, müssen wir einen qualifizierenden Kommentar zu den normalerweise geschlossenen Kontakten hinzufügen. Wenn die Primärlast auf den Öffnerkontakten liegt (und eine kleine Last oder keine auf den Schließerkontakten), kann es wünschenswert sein, nur eine Gleichrichterdiode als Relaisunterdrückung zu verwenden (oder vielleicht eine Gleichrichterdiode und einen niedrigeren Wert des Serienwiderstands). Die verzögerte Ankerbewegung, die sich nachteilig auf die Leistung des normalerweise offenen Kontakts auswirkt, verbessert in der Regel die Leistung des normalerweise geschlossenen Kontakts. Die Verbesserung resultiert aus weniger Kontaktprellen beim Schließen der Öffnerkontakte. Dies resultiert aus der geringeren Aufprallgeschwindigkeit, die durch die verzögerte Ankerbewegung erzeugt wird, und wurde in der Vergangenheit genutzt, um die Leistung des Öffnerkontakts bei bestimmten Relais zu verbessern.