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Relais mit Logik ansteuern
[Bearbeiten] EinleitungHäufig sollen mit µC-Schaltungen "größere Dinge bewegt werden", das heißt ein höherer Laststrom oder Netzspannung geschaltet werden. Dieser Artikel soll dem Anfänger dabei helfen, beliebte Probleme zu umgehen. Die hier für Relais aufgeführten Maßnahmen sollen natürlich sinngemäß auch bei anderen induktiven Lasten in Betracht gezogen werden. [Bearbeiten] SchaltstufenWenn normale Bauelemente zum Einsatz kommen sollen, endet man erfahrungsgemäß bei Schaltungen, bei denen mit der Logikspannung ein Bipolartransistor oder MOSFET im Schaltbetrieb angesteuert wird und die in der Regel höhere Betriebsspannung der Relaisspule geschaltet wird. [Bearbeiten] Schaltstufe für kleine Lasten Schaltstufe für kleine Lasten mit Bipolartransitor (links) und MOSFET (rechts) Links im Bild ist die Ansteuerung mit einem NPN-Bipolartransistor gezeigt. Hier wird mit einem Steuersignal durch den Vorwiderstand der Steuerstrom erzeugt, der den Transistor Q2 durchschaltet. Die maximal schaltbare Spannung hängt von dem Transistor ab, bei höheren Lastströmen ist darauf zu achten, daß möglicherweise der Steuerstrom nicht mehr hoch genug ist um den Laststrom sicher zu schalten. Deshalb ist die Stromverstärkung des Transistors zu beachten. Voll durchgesteuert oder voll gesperrt sind die Lieblingszustände des Schalttransistors, bei unvollständiger Ansteuerung (Linearbetrieb) fällt am Transistor eine erhöhte Verlustleistung ab.
Werden andere Transistoren eingesetzt oder muss für das Relais mehr oder weniger Strom zur Verfügung gestellt werden, dann findet sich hier die Berechnung des Basiswiderstands. Rechts im Bild wird das Relais mit einem MOSFET gesteuert. Der Vorteil ist hier der wesentlich geringere Steuerstrom im statischen HIGH Zustand (praktisch Null). Wichtig ist hier R1. Dieser Pull-Down-Widerstand sorgt dafür, dass der MOSFET sicher sperrt wenn der steuernde Mikrocontroller sich im Reset befindet oder gerade programmiert wird. Dann sind nämlich die IO-Pins als Eingänge geschaltet und das Gate des MOSFET würde "in der Luft hängen" (engl. float). R1 verhindert das.
[Bearbeiten] Schaltstufe für große LastenBei großen zu schaltenden Leistungen kommt daher oft vor dem Schalttransistor/FET ein Treiber zum Einsatz. Grosse MOSFETs brauchen meist 10-15V Gatespannung um voll durchzusteuern, dehalb wird ein Pegelwandler benötigt und wir haben etwas mehrstufiges. Ausnahmen sind sogenannte Logic Level MOSFETs, welche schon mit 4,5V praktisch voll durchgesteuert sind. Diese können direkt von 5V Logikausgängen betrieben und somit wie im vorherigen Kapitel angeschlossen werden. Entsprechende Typen findet man im Artikel MOSFET-Übersicht.  Schaltstufe mit MOSFET für große Lasten Zu beachten ist hier, daß durch den Treiber eine Invertierung stattfindet, d.h. ist der Steuereingang HIGH ist der MOSFET gesperrt und die Last wird nicht von Strom durchflossen. R2 ist die Basisstrombegrenzung, er wird so gewählt daß der Transistor gerade so übersteuert wird um sicherzugehen daß er komplett und schnell durchgesteuert wird. R3 begrenzt den Kollektorstrom des Treibertransistors, wenn dieser leitet, das Gate des MOSFET Q2 liegt dann auf 0V. Wenn er nicht leitet wird über R3 das Gate des MOSFET geladen und dieser ist dann leitend ( Open Collector). Die hier gezeigte Schaltung kann bis zu 30A schalten, allerdings braucht der MOSFET Q2 ab ca. 5A einen Kühlkörper. Die Versorgungsspannung VCC kann 10V bis 20V betragen. Achtung! Diese Schaltung ist nur für langsame Ansteuerung mit ein paar Hertz geeignet. PWM mit Frequenzen von 50 Hz und höher ist damit nicht möglich, da die erste Schaltstufe dafür viel zu langsam ist. Der Leistungstransistor kann nicht schnell ein und aus geschaltet werden, dadurch befindet er sich während der Umschaltung im Linearbetrieb und erzeugt viel Verlustleistung (=Wärme). Für PWM muss ein schneller MOSFET-Treiber eingesetzt werden. Gemeinsam ist diesen Schaltungen allerdings, daß sie sich prima für ohmsche Lasten eignen, aber bei induktiven Lasten gerne Probleme bereiten:
[Bearbeiten] EntstörungDas Hauptproblem ist die Gegeninduktionsspannung der Spule, eine Eigenschaft die in Schaltnetzteilen erwünscht sein mag, mit ihren u.U. mehreren hundert Volt im Logiksystem sich aber eher schädlich auswirkt. Beim Abschalten von Induktivitäten bricht deren Magnetfeld zusammen. Die im Magnetfeld gespeicherte Energie kann nicht einfach verschwinden. Damit wird die Induktivität zur Energiequelle, welche sehr hohe Spannungen erzeugen kann (Prinzip der Zündspule). Diese Störungen können durch Schaltungsergänzungen gemildert oder beseitigt werden. [Bearbeiten] FreilaufdiodeIn den obigen Bildern ist die Freilaufdiode als D1 und D2 sichtbar. Dieses Bauteil ist ein absolutes Muß bei induktiven Lasten wie Relais, Motoren etc. Teilweise in Relais schon eingebaut, handelt es sich um eine Diode, die für die Betriebsspannung in Sperrrichtung eingebaut ist. Mit ihr wird die Selbstinduktionsspannung der induktiven Last im Abschaltmoment kurzgeschlossen. Sie sollte mindestens die Versorgungsspannung als Sperrspannung verkraften (plus Reserve von 20% und mehr). Der zulässige Durchlasstrom muss nicht so hoch ausfallen, da die meisten Relais nur mit geringen Frequenzen schalten (einige Hertz). Hier reicht es, wenn der zulässige Pulsstrom der Diode dem Nennstrom des Relais entspricht. Eine kleine 1N4148 kann somit bis zu 1A schalten. Wer auf Nummer sicher gehen will, wählt den Nennwert des Diodenstroms gleich dem Relaisstrom. Einfache Gleichrichterdioden wie z. B. 1N400x sind hier entgegen der oft gehörten Meinung ausreichend, es müssen keine schnellen Schaltdioden verwendet werden. Denn entscheidend für die Freilaufdiode ist die Einschaltzeit (forward recovery time), und die ist auch bei einer langsamen Diode sehr kurz (einige Nanosekunden). Eine umfassende Erklärung findet man auf dieser Seite. Achtung! Das gilt nur für Relais, da diese nicht sehr oft schalten (wenige Hz). In einer Anwendung mit PWM und hohen Frequenzen im kHz-Bereich müssen schnelle Schaltdioden verwendet werden. Gelegentlich sieht man auch Dioden in Sperrichtung über die Schaltstrecke (Kollektor-Emitter, Source-Drain), die machen sowas ähnliches. Das klappt aber nur bei Halb-und Vollbrücken! Einfache Emitterschaltungen wie sie hier gezeigt sind brauchen eine Diode antiparallel zum Relais!  Freilaufdiode plus Z-Diode für kurze Abschaltzeiten Wenn ein schnelles Abschalten des Relais gewünscht ist, wie zum Beispiel beim Schalten hoher Ströme, sind andere Maßnahmen besser geeignet, um die Selbstinduktionspannung sicher zu begrenzen. Dazu nutzt man in Reihe zur Freilaufdiode eine Z-Diode, deren Z-Spannung möglichst hoch ist. Dadurch klingt der Spulenstrom wesentlich schneller ab, das Relais fällt schneller ab und der Lichtbogen an den Kontakten wird schneller unterbrochen. Die Kontaktlebensdauer steigt signifikant, ebenso werden weniger Störungen erzeugt. Zu beachten ist dabei, dass der Schalttransistor die Summe aus Betriebsspannung und Z-Spannung als max. Sperrspannung UCE bzw. UDS aushalten muss.
Genaueres findet sich im Abschnitt Links.
[Bearbeiten] Entkopplung der VersorgungsspannungenEs schadet in der Regel nicht die Spannungsversorgung für die Logikschaltung gut zu stabilisieren und zu filtern. Die Schaltstufe kann oft mit eher "rohen" Spannungen betrieben werden, also direkt vom Glättungskondensator des Gleichrichters. Allerdings kann etwas Filterung da auch nicht schaden, um Störspannungen durch die Schaltstufe nicht ungedämpft weiterzugeben. [Bearbeiten] SpannungsbegrenzungParallel zur Schaltstrecke und/oder parallel zur Last können anstelle der Diode Varistoren angeschlossen werden, welche die Spannung am Bauteil begrenzen. Dabei muss beachtet werden, dass die maximal zulässige Kollektor- bzw. Drainspannung nicht überschritten wird. Betriebsspannung und Induktionsspannung der Relaisspule liegen in Reihe, sodass gilt
Suppressordioden eignen sich auch, sie schalten etwas schneller, können aber AFAIK nicht soviel Pulsleistung aufnehmen. [Bearbeiten] Löschglieder Löschglied zur Störungsverminderung über einem Relaiskontakt Im Englischen Snubber Network genannt. Durch eine Beschaltung der Schaltkontake des Relais mit einem RC-Serienglied werden hochfrequente Überschwingeffekte beim Schalten gedämpft. Snubberglieder sind fast immer sinnvoll. Prinzipiell kann man sagen, daß der Widerstand Rs hochfrequente Anteile verbraucht und der Kondensator dafür sorgt, daß dieser Vorgang nur kurz beim Umschalten erfolgt, aber kein kontinuierlicher Stromfluss erfolgt. Wichtig ist dabei, dass der Widerstand ausreichend dimensioniert ist um die auftretende Verlustleistung auszuhalten. Ebenso muss der Kondensator eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen, bei Netzspannung sollten es mindestens 400V sein. Außerdem muss man recht große Mindestabstände zwischen den Steuerkontakten und den 230V Schaltkontakten einhalten, wie in den Artikeln Leiterbahnabstände und Leiterbahnbreite beschrieben ist.
[Bearbeiten] Links |
