Relais-Tipp Ansteuerung von Relaisspulen mit Pulsweitenmodulation

In diesem Relais-Tipp erklären wir, welche Fallstricke es bei der Ansteuerung von Relaisspulen mit PWM gibt.

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ET System electronic GmbH

Syslogic GmbH

DMB Technics AG

TE Connectivity

PWM (Pulsweitenmodulation)-Ansteuerungen sind heute weit verbreitet. Viele Steuergeräte haben PWM-Routinen bereits implementiert. Mittels PWM lässt sich auch bei Relaisspulen die Spulenleistung reduzieren und damit die Erwärmung des Relais verringern.

Bei der Ansteuerung von Relaisspulen mit PWM sind einige Punkte zu beachten, um später in der Anwendung keine Probleme zu bekommen.

Einschalten: Beim Einschalten des Relais muss die Spule solange ohne PWM erregt werden, bis das Relais den Schaltzustand sicher erreicht hat. Die in den Datenblättern angegebenen Schaltzeiten sind oft typische Zeiten bei Nennspannung und Zimmertemperatur.

Da sowohl die Spulenspannung als auch die Spulentemperatur einen Einfluss auf die Einschaltzeit haben, sollte mit der PWM-Ansteuerung erst nach dem Zehnfachen der typischen Einschaltzeit begonnen werden.

Wird für die Zeit bis zum Start der PWM eine Sekunde (1s) gewählt, ist man im Prinzip bei jedem Relais auf der sicheren Seite. Zudem ist die Erwärmung von Relaisspulen bei einer Erregung von einer Sekunde vernachlässigbar gering (dies gilt auch für die kleinsten Signalrelais der 4. Generation).

Frequenz: Die minimal zu wählende PWM-Frequenz hängt von der Abschaltzeit des Relais ab. Die Austastzeit (= (1 – Tastverhältnis) / Frequenz) darf nicht länger sein als die minimale Abschaltzeit des Relais. Da die Abschaltzeit von der Spulenspannung, Spulentemperatur und Spulenbeschaltung abhängt, ist die Austastzeit deutlich kürzer zu wählen, als die typische Abschaltzeit.

Die PWM-Ansteuerung von Relaisspulen kann durch Magnetostriktion dazu führen, dass das Relais einen akustischen Ton erzeugt (Transformatorbrummen). Werden Relais im Hörbereich von Menschen eingesetzt, sollte eine PWM-Frequenz oberhalb des hörbaren Bereichs von mindestens 20 kHz gewählt werden (im Hörbereich von Tieren sind unter Umständen höhere PWM-Frequenzen sinnvoll).

Tastverhältnis: Über das Tastverhältnis wird die mittlere Spulenspannung eingestellt. Prinzipiell kann die Spulenspannung nach dem sicheren Einschalten bis auf den Haltewert des Relais abgesenkt werden. Der Haltewert ist abhängig von der Spulentemperatur. Zudem beeinflusst die Absenkung der Spulenspannung auch die Schwing- und Schockfestigkeit des Relais. In den meisten Fällen ist ein Tastverhältnis von minimal 50% möglich. Dieses sollte aber abhängig von den Anwendungsbedingungen mit dem Relaishersteller abgesprochen werden.

Spulenschutzbeschaltung: Beim Abschalten von Relaisspulen wird eine negative Spannungsspitze induziert. Bei der Ansteuerung von Relaisspulen mit PWM ist in den meisten Fällen eine vollständige Unterdrückung der Spannungsspitzen mittels einer Paralleldiode notwendig. Diese Diode kann negative Einflüsse auf die elektrische Lebensdauer des Relais haben (ELEKTRONIKPRAXIS 11 (2013), S. 46). Bild 2 zeigt eine PWM-Ansteuerung mit zwei Relaistreibern, welche den negativen Einfluss der Diode beim Abschalten eliminiert.

Elektromechanische Relais

Leistung von Relaisspulen senken – welche Möglichkeiten es gibt

* Olaf Lorenz arbeitet als Applikations-Ingenieur bei TE Connectivity in Berlin.

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