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Relaistipp Die drei Möglichkeiten zur Spulenbeschaltung von Relais

Von Kristin Rinortner 3 min Lesedauer

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
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Mit Bauteilen wie Widerstand, Diode oder Z-Diode lassen sich Induktionsspitzen in Spulen begrenzen. In diesem Tipp zeigen wir, welche Nebenwirkungen die drei Varianten haben.

Bild 1: Spulenbeschaltung mit Diode(Bild: TE Relais Products)
Bild 1: Spulenbeschaltung mit Diode
(Bild: TE Relais Products)

Elektromechanische Relais werden in der Regel nie ohne eine geeignete Spulenbeschaltung in der Praxis verwendet. Die Spule als elektromagnetisches Bauteil erzeugt nach abrupter Abschaltung eine theoretisch unbegrenzte Induktionsspitze. Durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten werden Spannungsspitzen begrenzt. Es bleiben aber Abschaltspitzen von deutlich mehr als 100 V messbar. Derartige Induktionsspitzen stellen für viele in der Umgebung befindlichen Elektroniken eine starke Störung dar, die meist nicht tolerierbar ist.

Mit einfachen Bauteilen wie Widerstand, Diode oder Zenerdiode lässt sich dieser Effekt vermeiden. Allerdings haben die einzelnen Bauteile „Nebenwirkungen“, die nicht immer bekannt sind.

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Die Diode

Die bekannte und einfache Lösung stellt eine hervorragende Bedämpfung der Spule dar (Bild 1). Die Induktionsspitze wird auf die Dioden-Durchlassspannung von ca. –0,7 V begrenzt. Nicht jedem ist jedoch bekannt, dass dieser Vorteil mit einem gravierenden Nachteil verbunden ist: Physikalisch stellt die Diode fast einen Kurzschluss über der Spule dar, mit der Folge, dass der Entladestrom der Relaisspule sehr lange fließt. Das dynamische Abschaltverhalten des Relais wird damit insgesamt stark verlangsamt.

Abhängig von der Schaltlast des Relais kann das für Schließerkontakte eine gravierend reduzierte Lebensdauer bedeuten. Bei Öffnerkontakten hingegen reduziert die verminderte Relaisdynamik die Prellneigung, was positive Auswirkungen auf die Lebensdauer hat. Auch können Dioden bedenkenlos bei bistabilen Relaisspulen eingesetzt werden, da der Schaltzustand durch Erregen der Setz-oder Rücksetzspule erreicht wird. Das Abschalten der Spulen mit Dioden ist irrelevant für das bistabile Relaissystem. In allen anderen Fällen muss die Verwendung von Dioden gründlich geprüft werden und ist soweit wie möglich zu vermeiden.

Der Widerstand

Wie immer im Leben muss man Kompromisse schließen, so auch bei der Spulenbeschaltung.Systeme ohne Spulenbeschaltung (mit der schnellsten Relaisdynamik) liefern zwar die höchste Schaltspielzahl (Lebensdauer) am Schließerkontakt, jedoch bleibt die Induktionsspitze in der Praxis unakzeptabel. Als Kompromiss bietet sich der Widerstand an. Er stellt zwar eine gewisse dynamische Bedämpfung für das Relaissystem dar und erzeugt zusätzliche Verlustleistung. Die verringerte Lebensdauer kann aber technisch verkraftet werden. (Bild 2)

Die Zenerdiode

Eine weitere, technisch elegante Lösung stellt die Zenerdiode dar. Bei geeigneter Zenerspannung (ca. 30 V) führt das nichtlineare Verhalten der Zenerdiode zu einer schnelleren Entladung der Relaisspule. Das verbessert die Lebensdauer im Vergleich zum Widerstand. Aber auch die Zenerdiode ist nicht ohne Nachteil. Da die Zenerdiode nicht parallel zur Relaisspule geschaltet werden kann, sondern nur über den Schalter/Treiber (Bild 3), kann die Zenerdiode zwar leicht auf Leiterplatinen integriert werden, jedoch nicht im Relais selbst („Stand-alone“-Lösung).

Die Grafik in Bild 4 stellt noch einmal den Einfluss einer (oder keiner) Spulenbeschaltung auf die Relais-Schaltleistung des Schließerkontaktes dar.

Unser Fazit

Dioden sind zwar bequem, aber äußerst riskant. Die alternative Verwendung von Widerständen oder Zenerdioden sind geeignete Lösungen, um Dioden zu vermeiden, wobei den Zenerdioden der Vorzug zu geben ist.

* Stefan Schirmer arbeitet im Engineering Automotive Relays bei TE Relais Products in Berlin.

(ID:42270645)

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