Relais mit Logik ansteuern

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Einleitung[Bearbeiten]

Häufig sollen mit µC-Schaltungen "größere Dinge bewegt werden", das heißt ein höherer Laststrom oder Netzspannung geschaltet werden. Dieser Artikel soll dem Anfänger dabei helfen, typische Probleme zu umgehen. Die hier für Relais aufgeführten Maßnahmen sollen natürlich sinngemäß auch bei anderen induktiven Lasten in Betracht gezogen werden.

Schaltstufen[Bearbeiten]

Wenn 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 damit die in der Regel höhere Betriebsspannung der Relaisspule geschaltet wird.

Schaltstufe für kleine Lasten[Bearbeiten]

Schaltstufe für kleine Lasten mit NPN-Bipolartransistor (links) oder N-Channel-MOSFET (rechts) als Low-Side-Schalter

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.

Schaltstrom [mA]
Transistortyp
Steuerspannung [V] Bauteilwert
500
Q2=BC337
5 R2=470Ω
3,3 R2=270Ω
100
Q2=BC846(SMD)
5 R2=2,2kΩ
3,3 R2=1,3kΩ

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 N-Channel 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. Der Wert von R1 kann je nach Anwendung variieren. Üblich sind auch 10k, um den Eingang gegen Störeinstrahlungen zu festigen.

Schaltstrom [mA]
Transistortyp
Steuerspannung [V]
500
Q1=BS170
5-10
200
Q1=BSS138(SMD)
3,3-10

Um Relais vom PC aus zu schalten gibt es diverse Relais-Karten, aber es geht auch direkt mit dem Parallelport um ein 5 V-Relais mit 110 Ohm Spulenwiderstand anzusteuern, mit dem man bis zu 230 V / 10 A schalten kann. Dafür reichen die acht Daten-Pins vom Parallelport, zusammengeschaltet mit 75 Ohm-Widerständen.

Schaltstufe für große Lasten[Bearbeiten]

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, deshalb wird ein Pegelwandler bzw. Treiber 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, wie man in diesem Forumsbeitrag sehen kann. Entsprechende Typen findet man im Artikel MOSFET-Übersicht. Diese direkte Ansteuerung per CMOS-Ausgang reicht dann sogar für niedrige PWM-Frequenzen von vielleicht 100Hz und noch etwas mehr.

Schaltstufe mit N-Channel MOSFET als Low-Side-Schalter 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:

  • Die Logikschaltung stürzt beim Schalten gelegentlich oder immer ab, insbesondere beim Abschalten
  • Bauteile verabschieden sich beim ersten Schalten oder nach einigen problemlosen Schaltvorgängen
  • sonstiges unreproduzierbares Verhalten.

Entstörung[Bearbeiten]

Das 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.

Freilaufdiode[Bearbeiten]

In 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 — eine Reserve von 20 % tut preislich nicht weh. Der zulässige Spitzendurchlassstrom der Diode muss mindestens dem Betriebsstrom des Relais entsprechen. Die Dauerstrombelastbarkeit darf auch geringer ausfallen, da übliche Relaisanwendungen nur mit geringen Frequenzen schalten (einige Hertz). Eine kleine 1N4148 (Nachfolger der 1N914) kann für bis zu 1 A eingesetzt werden. Allerdings lohnen sicht derartige Tricksereien kaum noch, da Dioden sehr billig sind. Wer auf Nummer sicher gehen will nimmt eine Diode, deren Nennstrom größer oder gleich dem Relaisstrom ist.

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 klein (einige Nanosekunden). Eine umfassende Erklärung findet man auf dieser Seite. Achtung! Das gilt nur für Relais, da diese nicht sehr oft schalten (wenige Hz) und am Ende des Schaltvorgangs der Strom durch die Diode auf Null abgesunken ist. In einer Anwendung mit PWM und hohen Frequenzen im kHz-Bereich müssen schnelle Schaltdioden verwendet werden. Hier ist der Strom am Ende des Schaltvorgangs nicht Null, sondern meistens relativ hoch. Schaltet dann die Diode von Flußrichtung in Sperrichtung, kommt die Reverse Recovery Time zum tragen (t_{rr}). Ist sie sehr hoch, wird viel Verlustwärme in der Diode erzeugt, was sowohl die Schaltung als auch die Diode zerstören kann.

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!

Fehler aufgrund „vergessener“ Freilaufdioden können extrem tückisch sein! Transistoren versagen dann manchmal komplett und gehen am nächsten Tag wieder. Oder ihre Stromverstärkung nimmt unmerklich ab und das Relais zieht nur „halb“ an. Sicherheitshalber sollte man in solchen Fällen die Transistoren auswechseln und vernichten, auch wenn noch keine Fehlfunktion festgestellt wurde.

Freilaufdiode plus Z-Diode für kurze Abschaltzeiten — das Relais darf hierbei keine interne Diode haben, wie im Schaltbild angegeben

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 Sperrspannung U_{CE} bzw. U_{DS} aushalten muss.

U_{CE, max} \geqq Vcc+U_Z

Genaueres findet sich im Abschnitt Links.

Eine andere Möglichkeit der Überspannungsbegrenzung für den Transistor ist eine Zener-Diode über die Kollektor-Emitter-Strecke (ohne Illustration). Deren Zenerspannung darf (knapp) so hoch wie UCEmax sein. Auch hier sorgt eine höhere Zener- als Betriebsspannung für ein schnelles Abfallen des Relais, mit dem Nachteil, dass der Abklingstrom von der Speisespannung gezapft wird. Von Vorteil bei dieser Variante ist, dass diese Diode auch bei Offenen Kollektorausgängen „vorsorglich“ beschaltet werden kann, ohne auf die (bei der Konstruktion noch unbekannte oder entfernungsmäßig weit weg liegende) Speisespannung des Relais zugreifen zu müssen. Die Freilaufdiode wird nicht benötigt.

Die kurzzeitige Strombelastung der Zenerdiode entspricht dem Last- also dem Relaisstrom. Deren Verlustleistung spielt bei geringer Schaltfrequenz nur eine untergeordnete Rolle. An Stelle der Zenerdiode kann auch eine Supressordiode oder ein Varistor verwendet werden. Freilaufdioden sind mit Abstand die billigste Methode der Überspannungsbegrenzung.


Entkopplung der Versorgungsspannungen[Bearbeiten]

Es 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.

Spannungsbegrenzung[Bearbeiten]

Parallel 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

\!\ U_{CE,max} \geqq VCC + V_{Varistor}

Suppressordioden eignen sich auch, sie schalten etwas schneller, können aber AFAIK nicht soviel Pulsleistung aufnehmen.

Löschglieder[Bearbeiten]

Löschglied zur Störungsverminderung über einem Relaiskontakt

Im Englischen Snubber Network genannt. Durch eine Beschaltung der Schaltkontakte 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 dämpft und der Kondensator dafür sorgt, dass dieser Vorgang beim Umschalten erfolgen kann. Bei Anschluß einer Wechselspannungsquelle stellt sich jedoch ein kontinuierlicher Stromfluss über die Kapazität ein. Deshalb werden diese Glieder parallel zum induktiven Verbraucher (Elektromotor, Drossel, Relaisspule...) und somit in Reihe zur Spannungsversorgung und dem Öffner angebracht. 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.

Logikschaltungen mit Relais[Bearbeiten]

Wenngleich Relais heute oft per Mikrocontroller und Transistoren angesteuert werden und die Schaltlogik in der Software steckt, so gibt es dennoch immer mal wieder Fälle, in denen man auf reine Relaislogik zurückgreifen möchte. Die Gründe dafür sind z.B. robuster Aufbau, Stromversorgung, Bauteillogistik etc.

Selbsthaltung[Bearbeiten]

Selbsthaltung

Eine oft genutzte Schaltung ist die Selbsthaltung. Dabei wird durch den Taster S2 das Relais erstmalig mit Strom versorgt und zieht an. Der Strom kann jetzt auch über den Schließer von K1 fließen, auch wenn der Taster wieder losgelassen wird. Das Relais hält sich selbst. Mit einem Druck auf S1 wird der Strom unterbrochen, K1 fällt wieder ab. Solche Schaltungen werden z.B. in Maschinen eingesetzt, wo nur mittels Tastendruck ein Start möglich sein soll. Fällt der Strom aus oder muss eine schnelle Notabschaltung gemacht werden, so geht das Relais aus und bleibt auch aus, auch wenn der Strom wieder eingeschaltet wird.


Selbstunterbrecher[Bearbeiten]

Selbstunterbrecher

Eine noch einfachere Schaltung ist der Selbstunterbrecher. Er ist ein elektromechanischer Oszillator. Wird die Versorgungsspannung eingeschaltet, so zieht K1 an. Dabei unterbricht es seinen eigenen Stromfluß und fällt wieder ab. Rein statisch betrachtet klingt das wie ein Widerspruch. Praktisch und dynamisch betrachtet funktioniert es aber, da die mechanische Trägkeit des Kontaktes und der Hebelmechanik nicht sofort reagiert. Wie schnell das Relais "flattert" hängt in erster Linie von der Masse der Schaltkontakte und der Rückstellfeder ab. Beispiele findet man hier. So ein rasselndes Relais erzeugt durch den Schaltfunken am Kontakt aus einiges an Störungen. Diese Schaltung findet man in allen einfachen elektromechanischen Klingeln, sie ist auch als Wagnerscher Hammer bekannt.

Ferner kann diese Schaltung - bedingt durch die hohen (Selbst-)Induktionsspannungen - auch zum Testen von Glimmlampen verwendet werden. Hierzu wird die Schutzdiode durch die zu Testende Glimmlampe ersetzt.

Umschaltung per Taster[Bearbeiten]

Will man mit einem Taster ein Relais mit jedem Tastendruck zwischen Ein und Aus wechseln lassen (engl. to toggle, umschalten), so kann man das mit der nachfolgenden Schaltung tun. Sie benötigt nur zwei Relais mit einem Wechselkontakt sowie einen Taster mit Wechselkontakt. Hat man den nicht, kann man ihn durch einen einfachen Taster ersetzen, der dann ein drittes Relais mit Wechselkontakt schaltet. Als dritte Möglichkeit kann ein Taster mit getrenntem Öffner und Schließer verwendet werden. Wesentliche Eigenschaft der Schaltung ist, dass bei Ausfall der Stromversorgung immer wieder der Ausgangszustand eingenommen wird.

Umschaltung per Tastendruck

Und so funktioniert das Ganze

  • Ausgangszustand: K1 und K2 sind ohne Strom, die Kontakte liegen wie im Schaltplan, da kein Strom über K1 oder S1 zu den Relais fließen kann
  • Taster S1 wird gedrückt: Über S1 und K2 wird Spannung an die Spule von K1 gelegt, der Kontakt von K1 schließt
  • Taster S1 wird losgelassen, d.h. ein paar Millisekunden hängt der Schaltkontakt in der Luft, der Strom fließt über K1 und K2 weiter and K1 (Selbsthaltung)
  • Taster S1 erreicht Ruheposition, jetzt fließt Strom über die Kontakte K1, S1 und D1 und D2 an die Spulen von K1 und K2, wodurch der Kontakt K2 öffnet. K1 bekommt nun nur noch über K1, S1 und D1 Strom.
  • S1 wird zum 2. Mal gedrückt und hängt sehr kurz in der Luft. Die Selbsthaltung über K1, S1 und D1 wird unterbrochen, K1 fällt ab, dadurch öffnet K1. K2 würde nun auch abfallen. Tut es aber nicht, da die Umschaltung sehr schnell geht. Und hier liegt der "Trick" der Schaltung. Die Umschaltung von S1 muss schneller sein als die Abfallzeit der Relais K1 plus K2!
  • S1 schaltet komplett um, die Selbsthaltung für K2 läuft über S1, K2
  • S1 wird wieder losgelassen und erreicht wieder die Ruheposition, die Selbsthaltung für K2 wird unterbrochen und K2 fällt ab.

Wie man sieht schaltet K1 immer dann, wenn die Taste gedrückt wird und K2 immer dann, wenn die Taste losgelassen wird. Je nach gewünschter Funktion kann man das Signal für weitere Schaltfunktionen an der Spule für K1 oder K2 abgreifen.

Version mit einem D-Flip-Flop[Bearbeiten]

Umschalten des Relais mittels D-FlipFlop

Hat man keine zwei Relais oder nicht den Platz um ein zweites Relais einzusetzen, kann man das Umschalten auch mit Hilfe eines D-FlipFlops realisieren.

Funktion:

  • Im Ruhemodus liegt der Ausgang Q auf LOW, Q negiert auf High
  • Wird auf den Takteingang von IC1A eine steigende Flanke gelegt, wird der Highpegel vom Eingang übernommen, Q ist High, der MOSFET steuert durch und läßt das Relais anziehen, Q negiert ist Low.
  • Bei der nächsten positiven Taktflanke wird der Pegel des negierten Ausgangs wieder übernommen, jetzt Low, und der Ausgang wird wieder auf Low geschaltet.

Wird ein Taster verwendet muss dieser unbedingt entprellt werden. Hier im Beispiel durch das RC-Glied und der genügend trägen CMOS-Logik. Ein 4017 — nicht aber ein Standard-4013 — hat Schmitt-Trigger-Verhalten am Takteingang, welcher die Entprellung wirkungsvoll unterstützt. Durch die Nutzung der alten, bis zu 15 V einsetzbaren 4000er Logikserie spart man sich eine zusätzliche 5-V-Stromversorgung. Außerdem kann man jeden normalen MOSFET direkt ansteuern, ein Logic-Level-Typ ist nicht nötig. Der IC enthält zwei D-FlipFlops, womit man die Funktion zweifach aufbauen kann. Alternativ kann man die Schaltung aus diesem Forumsbetrag nutzen.

Im Gegensatz zum folgenden Stromstoßrelais hat dieses Flipflop kein Speicherverhalten bei Stromausfall. Bei Stromzuschaltung steht das Flipflop zufällig oder kann per Set- oder Reset-Eingang definiert belegt werden. Heutzutage ist Speicherverhalten (sowie Entprellung) mit einem Mikrocontroller mit EEPROM billiger als via Stützbatterie oder einem echten Stromstoßrelais (= mechanischer Speicher) zu erreichen!


Stromstoßrelais[Bearbeiten]

Nachgebildetes Stromstossrelais

In der Installationstechnik für Gebäude wird man meist auf ein Stromstoßrelais zurückgreifen, dort wird die Umschaltung meist über die Mechanik im Relais erreicht. Dann reicht auch ein einfacher Schließer als Taster. Diese Relais benötigen nur zum Umschalten Strom und halten dabei den Schaltzustand auch bei Stromausfall.

Diese Funktion kann man aber auch mit zwei bistabilen und einem monostabilen Relais nachbilden. Die Schaltung ist sehr ähnlich zum Vorgänger. Zwei bistabile Relais mit jeweils einer Spule zum Setzen und Rücksetzen schalten wechselseitig um. Jeweils ein Kontakt von K1 und K2 steht zur freien Verfügung. Die Energie zum Schalten von K2 wird im Kondensator C1 gespeichert, welcher im Moment des Loslassens des Taster S1 über die Kontakte K3 und K1 das Relais K2 kurzzeitig mit Strom versorgt. Die Schaltung benötig somit nur zum Umschalten Strom. Der Widerstand R1 begrenzt den Ladestrom von C1 auf erträgliche Werte. Bei der Entladung von C1 fließt der Strom hauptsächlich über D7, damit kann die Energie von C1 besser ausgenutzt werden. Für die Dimensionierung für R1 und C1 gilt.

R1 \sim \frac{R_{Spule}}{5}

C1 \sim \frac{5 \cdot t_{Schalt}}{R_{Spule}}

  • \!\, R_{Spule} : Spulenwiderstand von K2
  • \!\, t_{Schalt} : Schaltzeit von K2

Siehe auch[Bearbeiten]

Links[Bearbeiten]