Dieser ArtikelBenutzerSuche |
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. Dies sieht dann bei kleinen Lasten beispielsweise so aus:
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 durchgeschaltet. 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 Transistor beachten. Voll durchgesteuert oder voll gesperrt sind die Lieblingszustände des Schalttransistors, bei unvollständiger Ansteuerung (Linearbetrieb) fällt am Transistor eine erhöhte Verlustleistung ab und die erzeugt bisweilen viel Wärme.
Werden andere Transistoren eingesetzt oder muss für das Relais mehr 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.
Bei 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.
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. 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 Dutzend Hertz geeignet. PWM mit 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 Spannunungen 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. 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. Die verwendete Diode sollte als Fast Recovery Diode spezifiziert sein und 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. Einfache Gleichrichterdioden (z.B. 1N400x) sind hier im Nachteil und sollten nicht verwendet werden, da sie zu lange für die "Entsperrung" brauchen. Schnelle Schaltdioden (1N4148) oder Schottkydioden sind das Mittel der Wahl. 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! Wenn ein schnelles Abschalten des Relais gewuenscht ist, wie zum Beispiel beim Schalten hoher Ströme, sind andere Maßnahmen besser geeignet, um die Selbstinduktionspannung sicher zu begrenzen. Siehe dazu weiter unten. [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 Kondensator der die gleichgerichtete Trafospannung glättet. (Allerdings kann auch bischen Filterung da nicht schaden, um Störspannungen durch die Schaltstufe nicht unbedämpft weiterzugeben.) [bearbeiten] SpannungsbegrenzungParallel zur Schaltstrecke und/oder parallel zur Last können Varistoren angeschlossen werden (anstelle der Diode), 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 UCEmax > = VCC + VVaristor Suppressordioden eignen sich auch, sie schalten etwas schneller können aber AFAIK nicht soviel Pulsleistung aufnehmen. [bearbeiten] Löschglieder
Im Englischen heisst das Snubber Network. 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. [bearbeiten] Links[bearbeiten] Zur Freilaufdiode |
