Spice-Modell eines Relais

Hier ha­be ich ver­sucht, ein elek­tro­me­cha­ni­sches Re­lais mög­lichst na­tur­nah zu si­mu­lie­ren.

An­mer­kung: die­ses Mo­dell wur­de für LT­Spice ge­schrie­ben und funk­tio­niert wahr­schein­lich auch nur un­ter LT­Spice, da LT­Spice-in­trin­si­sche Mo­del­le wie SCHMITT, AND etc. evtl. in an­de­ren Spice-De­ri­va­ten nicht oder nicht in die­ser Form exis­tie­ren.

Ei­ne An­mer­kung zum Schalt­plan: er ent­hält kei­ne Span­nungs­quel­le und auch kein Si­mu­la­tions­kom­man­do und Sie kön­nen nicht ein­fach auf Run kli­cken. Es ist der Schalt­plan des Mo­dells. Span­nungs­quel­le und Si­mu­la­tions­kom­man­do müs­sen im über­ge­ord­ne­ten Plan ein­ge­fügt wer­den.

Be­ach­ten Sie auch, dass das Re­lais po­la­ri­siert ist. Bei ver­pol­ter Ver­sor­gung wird es nicht an­zie­hen! Es ist da­her nicht di­rekt für An­re­gung mit Wech­sel­strom ge­eig­net.

Mo­del­liert wur­den fol­gen­de Ei­gen­schaf­ten:

• Rcoil: Spu­len­wi­der­stand
• Lcoil: In­duk­ti­vi­tät der Spule
• Von: An­zugs­span­nung (must operate voltage)
• Voff: Ab­fall­span­nung (must release voltage)
• Ron: Kon­takt­wi­der­stand
• Roff: Iso­la­tions­wi­der­stand
• Tdelay: Delay-Zeit (Zeit vom An­lie­gen der Spu­len­span­nung bis zum Öffnen des Ru­he­kon­takts)
• Tfly: Flug­zeit des Kon­takts (Zeit vom Öffnen des Ru­he­kon­takts bis zum Schlie­ßen des Ar­beits­kon­takts (Break-before-Make). An­mer­kung: die­se Zeit kann nicht ein­fach ne­ga­tiv ge­wählt wer­den, um ei­nen Fol­ge­wechs­ler (Make-before-Break) zu re­a­li­sie­ren!

Nicht mo­del­liert wur­de bis­her ins­be­son­de­re das Prel­len der Kon­tak­te.

Um das zu er­läu­tern: Sie le­gen al­so die Spu­len­span­nung an. <Tdelay> spä­ter öff­net der Ru­he­kon­takt. Von da an ist kei­ner der Kon­tak­te ge­schlos­sen. Nach ei­ner wei­te­ren Zeit <Tfly> schließt dann der Ar­beits­kon­takt und der Schalt­vor­gang ist be­en­det.
Beim Weg­neh­men der Spu­len­span­nung läuft das ana­log um­ge­kehrt ab. Nach <Tdelay> öff­net der Ar­beits­kon­takt, und ei­ner wei­te­ren Zeit <Tfly> schließt der Ru­he­kon­takt wie­der.

<Von> ist die be­nö­tig­te Min­dest­span­nung für das Re­lais um An­zu­zie­hen. Die Spu­len­span­nung muss da­nach wie­der un­ter <Voff> sin­ken, da­mit das Re­lais wie­der ab­fällt.

Die Vor­ga­be­wer­te ent­spre­chen (ab­ge­se­hen von ei­ni­gen Schätz­wer­ten, die nicht im Da­ten­blatt ste­hen) in et­wa dem Schrack SR4D mit 24V-Spule, kön­nen aber pro­blem­los durch an­de­re Wer­te über­schrie­ben wer­den (Rechts­klick auf das Sym­bol des Re­lais und sie se­hen das Fens­ter im rech­ten Bild. Dort kön­nen Sie Ih­re Pa­ra­me­ter ein­ge­ben (blaue Zei­le, bei­spiel­haft)).

Na­tür­lich sind die Wer­te auch hier zu ei­nem ge­wis­sen Grad ide­a­li­siert. Das Re­lais kann in der Re­a­li­tät auch schon bei ge­rin­ge­rer Span­nung an­zie­hen oder auch schon et­was frü­her ab­fal­len.

Bei lang­sa­mer Än­de­rung der Spu­len­span­nung (was man oh­ne­hin ver­mei­den soll­te) kann das re­le­vant wer­den, aber das Mo­dell soll­te für die meis­ten Fäl­le al­le re­le­van­ten Ei­gen­schaf­ten ab­bil­den.

Der Zweck die­ser re­la­tiv aus­ge­feil­ten Si­mu­la­tion war in ei­ner Schal­tung mit funk­tio­na­ler Si­cher­heit, in wel­cher der Schalt­zu­stand des Re­lais in Ab­hän­gig­keit von sei­ner An­steu­e­rung über­wacht wer­den muss­te. Hilfs­kon­tak­te des zwangs­ge­führ­ten Re­lais kop­pel­ten wie­der in die Elek­tro­nik ein.

Nur so kann der Ein­fluss der Me­cha­nik mit sei­nen Schalt­zei­ten auf die Elek­tro­nik zu­ver­läs­sig si­mu­liert wer­den. Nur so kann man re­la­tiv leicht über­prü­fen, was pas­siert, wenn ein Kon­takt oxi­diert ist (al­so trotz ge­schlos­se­nem Kon­takt kei­ne lei­ten­de Ver­bin­dung be­steht) oder er ein­fach klebt (ver­schweißt ist), das Re­lais al­so nicht schal­ten kann.

Das Mo­dell kann aber na­tür­lich auch ein­fa­che­ren Zwe­cken oder auch nur zur Ver­an­schau­li­chung die­nen.

La­den Sie sich die LT­Spice-Schal­tung oder la­den Sie Mo­dell und Sym­bol zur di­rek­ten Ver­wen­dung in ei­ge­nen Si­mu­la­tio­nen he­r­un­ter.

Ko­pie­ren Sie das Mo­dell in Ihr sub-Ver­zeich­nis und das Sym­bol in Ihr sym-Ver­zeich­nis und Sie kön­nen es di­rekt in ei­ge­nen Schal­tun­gen ver­wen­den.

In die­ser Test-Si­mu­la­tion kön­nen Sie die Funk­tion der Kon­tak­te be­ob­ach­ten. Die­se er­for­dert na­tür­lich ein kor­rekt in­stal­lier­tes sub und asy. Hier wird das Re­lais mit ei­ner lang­sa­men 1 Hz-Si­nus­span­nung be­trie­ben und Sie kön­nen se­hen, wann es an­zieht, ab­fällt und Sie se­hen die nicht-über­lap­pen­de Funk­tion der Kon­tak­te (break-before-make).

Na­tür­lich kann das Prel­len nur behavioral sein und nicht das Ab­bild ei­nes kon­kre­ten Bau­teils, da es ne­ben zu­fäl­li­gen Kom­po­nen­ten auch von vie­len an­de­ren Pa­ra­me­tern wie Tem­pe­ra­tur, Al­te­rung, Schalt­span­nung, Ein­bau­la­ge etc. ab­hän­gig ist.

Ein war­mes Re­lais prellt an­ders als ein kal­tes, ein neu­es prellt an­ders als ein al­tes usw... Wenn Sie mit Prel­len si­mu­lie­ren wol­len, stel­len Sie hier ein­fach die Worst Case-Wer­te ein. Wenn es in der Re­a­li­tät we­ni­ger prellt wird dies nor­ma­ler­wei­se eher un­kri­tisch sein.

Ich ha­be die­se Er­wei­te­rung in ein ei­gen­stän­di­ges Pro­jekt über­führt da de­ren Mo­del­lie­rung er­heb­lich auf­wän­di­ger und nur sel­ten von Be­deu­tung ist. Meist kann man das Prel­len durch the­o­re­ti­sche Über­le­gun­gen aus­rei­chend be­rück­sich­ti­gen.

Das Prel­len tritt mit mei­nem Mo­dell nur beim Schlie­ßen ei­nes Kon­takts auf. Tat­säch­lich ist das auch in der Re­a­li­tät so. Beim Öffnen prellt der Kon­takt nicht oder kaum.

Die Öff­nung der Kon­tak­te er­folgt nach <Tdelay> oh­ne Prel­len.

Ich ha­be hier zwei Rausch­quel­len ein­ge­setzt, da­mit die Kon­tak­te nicht syn­chron prel­len, wie man es auch auf dem Os­zil­lo­gramm se­hen kann.

Hier die Schal­tung als lauf­fä­hi­ge Si­mu­la­tion, das Mo­dell ist be­reits in der ak­tu­el­len Mo­dell-Da­tei ent­hal­ten, und die da­zu pas­sen­de Test­schal­tung, die im Üb­ri­gen iden­tisch mit der vor­her­ge­hen­den ist. Sie müs­sen nur das Spice-Mo­dell des Re­lais durch Relay_2A2B_Bounce er­set­zen.

Dieses Mo­dell hat ei­nen zu­sätz­li­chen Pa­ra­me­ter, den Sie mög­li­cher­wei­se an­pas­sen möch­ten:

• Tbounce: die Prell­zeit

Um die Pro­ble­ma­tik kur­zer Spikes (wie sie häu­fig in Si­mu­la­tio­nen auf­tre­ten) zu ent­schär­fen, wur­de im Mo­dell C1 und R2 hin­zu­ge­fügt, die aber trotz­dem kei­ne zu­ver­läs­sig re­a­lis­ti­sche Funk­tion er­ge­ben.

Wir ha­ben hier ein behavioral model, das im Prin­zip die wich­tigs­ten Ei­gen­schaf­ten wie­der­gibt, aber kein Mo­dell ei­nes kon­kre­ten Bau­teils sein kann.

In den meis­ten Fäl­len wird dies kein Pro­blem dar­stel­len, da die Spule ent­we­der die volle Span­nung er­hält oder gar kei­ne.

2025-10-10: Bis zu die­sem Tag er­zeug­te das Mo­dell ei­ne War­nung in neu­e­ren LT­Spice-Ver­sio­nen. Die­se war je­doch un­kri­tisch und ver­hin­der­te nicht die kor­rek­te Funk­tion. In­zwi­schen ha­be ich das Mo­dell ent­spre­chend kor­ri­giert, beim ak­tu­el­len Down­load soll­te die­se nicht mehr auf­tau­chen.

Dies ist nur ei­ne Si­mu­la­tion. Ich ha­be die­se Schal­tung nie in der Re­a­li­tät auf­ge­baut. Die Ver­wen­dung er­folgt auf ei­ge­nes Ri­si­ko und Ver­ant­wor­tung.