Kurzschlussfester Relais-Treiber

Nor­ma­ler­wei­se ver­wen­det man zur An­steu­e­rung ei­nes Re­lais ein­fach ei­nen NPN-Tran­sis­tor (oder ei­nen N-Ka­nal MOSFET) der über ei­ne Ze­ner­di­ode oder ei­ner Frei­lauf­di­ode nach V_CC ge­gen die Selbst­in­duk­tions­span­nung des Re­lais ge­schützt ist. Das funk­tio­niert auch in 99% al­ler Fäl­le pro­blem­los und zu­ver­läs­sig. Im Fall ei­nes Fer­ti­gungs­feh­lers wird die­ser bei der Prü­fung er­kannt und ar­tet schlimms­ten­falls in ei­nem Aus­tausch des durch­ge­brann­ten Tran­sis­tors aus.

Manch­mal wird das Re­lais je­doch nicht auf mei­ner Lei­ter­plat­te sit­zen son­dern über ei­ne ex­ter­ne Lei­tung an­ge­schlos­sen und es kann da­mit ein un­be­kann­tes Re­lais nach An­wen­der­wunsch sein. Dabei kann es so­wohl zu Kurz­schlüs­sen als auch zu über­höh­ten Las­ten kom­men, die den Tran­sis­tor zer­stö­ren könn­ten.

Ich ha­be da­r­ü­ber nach­ge­dacht und bin bei ei­ner Schal­tung in Form ei­ner Kon­stant­strom­quel­le ge­lan­det, de­ren Strom al­ler­dings von der Kol­lek­tor­span­nung des Tran­sis­tors ab­hängt. Mit stei­gen­der Kol­lek­tor­span­nung sinkt der ge­lie­fer­te Strom und be­grenzt da­mit die Ver­lust­leis­tung. Ohne R3 hät­ten wir ei­ne Kon­stant­strom­quel­le (wo­bei R2 nicht nö­tig wä­re), mit die­ser Zu­satz­schal­tung wird es zu ei­ner Be­gren­zer-Schal­tung.

Der zu­sätz­li­che Auf­wand be­schränkt sich auf ei­nen wei­te­ren Tran­sis­tor und drei Wi­der­stän­den. Ob er das Wert ist müs­sen Sie ent­schei­den.

Wie di­men­sio­niert man nun die­se Schal­tung?

Im Fol­gen­den ge­he ich ex­em­pla­risch von 24 V Ver­sor­gung und ent­spre­chend auch von ei­nem 24 V-Re­lais aus.

• Der Span­nungs­tei­ler aus (R3+R5) und (R2+R1) spannt die Ba­sis von Q2 vor. Die­se Span­nung muss so ge­wählt wer­den, dass Q2 (bei V_ON=0 V bzw. V_C=24 V) noch si­cher sperrt (al­so <600 mV). R5 ist hier­bei als 0 Ω zu set­zen (dem schlech­tes­ten Fall, ei­nem Kurz­schluss).
• Die ma­xi­ma­le Ver­lust­leis­tung des Tran­sis­tors darf in kei­nem Fall so hoch wer­den, dass sei­ne ma­xi­ma­le Sperr­schicht­tem­pe­ra­tur über­schrit­ten wird, egal bei wel­cher Last, von ∞ bis 0 Ω, auch nach be­lie­big lan­ger Zeit. Dies setzt ein un­te­res Li­mit für den Wert des Shunt-Wi­der­stan­des R1

Bei un­se­rem BC546, mit 200°C/W, muss die Ver­lust­leis­tung un­ter 400mW blei­ben um sei­ne Er­wär­mung un­ter 80°C zu hal­ten.

Dann er­reicht die Sperr­schicht-Tem­pe­ra­tur an ei­nem hei­ßen Som­mer­tag (~40°C) be­reits um die 120°C, wenn die Schal­tung in ei­nem Ge­häu­se zu­sam­men mit an­de­ren Wär­me­pro­du­zie­ren­den Bau­tei­len und ei­nem be­grenz­ten Wär­me­wi­der­stand zu T_amb sitzt, ent­spre­chend mehr.

In die­ser Si­mu­la­tion wird R_Load (R5) bei ei­ner Ver­sor­gungs­span­nung von 24 V von 1000 Ω bis auf 0 Ω ge­senkt. Man er­kennt den Punkt, ab dem die Strom­quel­le zu re­geln be­ginnt und den Strom durch das Re­lais be­grenzt. Das ist auch der Punkt, ab dem das Re­lais nicht mehr zu­ver­läs­sig ge­schal­tet wer­den kann (Cur­sor 1, der lin­ke ro­te Kreis, bei 430 Ω).

Der Punkt der ma­xi­ma­len Ver­lust­leis­tung kommt et­was spä­ter und liegt hier bei 365 mW (Cur­sor 2, der rech­te ro­te Kreis bei 626 ms). Der Tran­sis­tor er­wärmt sich hier be­reits um et­wa 73°C, was selbst bei 55°C Um­ge­bungs­tem­pe­ra­tur aber noch deut­lich un­ter der Gren­ze von 150°C und da­mit auch in ei­nem ku­sche­lig war­men Elek­tro­nik-Ge­häu­se noch im si­che­ren Be­reich liegt.

Ich ha­be hier­bei ein­fach den Shunt-Wi­der­stand (R1) schritt­wei­se an­ge­passt bis ich auf die­se Gren­ze ge­sto­ßen bin. Jemand, der bes­ser in Ma­the­ma­tik ist als ich, könn­te das si­cher auch for­mal lö­sen, aber in der Si­mu­la­tion geht das nach ein paar Ite­ra­tio­nen auch für Dum­mies wie mich.

24 V-Re­lais kön­nen mit die­ser Schal­tung al­so bis he­r­ab zu 430 Ω ge­schal­tet wer­den. In der Pra­xis wür­de man den Spu­len­wi­der­stand (Bau­teil­to­le­ran­zen, Tem­pe­ra­tur­bei­wer­te etc.) eher 10 oder 20% hö­her an­set­zen so dass der mi­ni­ma­le zu­läs­si­ge Spu­len­wi­der­stand laut Hand­buch bei 540 Ω lie­gen wür­de.

Mein Re­lais lag bei 700 Ω (re­la­tiv nied­rig für ein 24 V-Re­lais), al­so trotz­dem noch kein Pro­blem.

Es sei an­ge­merkt, dass der Punkt ma­xi­ma­ler Ver­lust­leis­tung durch Ver­klei­nern von R3 he­r­ab ge­setzt wer­den kann, aber ir­gend­wann lie­fert die Schal­tung über­haupt kei­nen Strom mehr! R3 soll­te wohl we­nigs­tens 20 % grö­ßer als die­ser Grenz­wert sein.

Anders aus­ge­drückt, R3 muss min­des­tens so groß sein, dass Q2 bei V_C=V₁ si­cher noch nicht in die Re­ge­lung ein­greift, d.h. V_B von Q2 muss bei V_C=V₁ noch un­ter 600 mV lie­gen!

So­mit ha­ben wir nun ei­ne Schal­tung, die nicht ka­putt geht, auch wenn ei­ne un­zu­läs­si­ge Last (ein­schließ­lich Kurz­schluss) an­liegt. Es kann sein, dass sie bei un­zu­läs­si­gen Las­ten nicht wie er­hofft funk­tio­niert, aber sie geht nicht ka­putt!

Na­tür­lich ist wei­ter­hin zu­sätz­lich ei­ne Frei­lauf­di­ode oder ein an­de­rer Über­span­nungs­schutz er­for­der­lich um die Selbst­in­duk­tions­span­nung beim Ab­schal­ten zu be­gren­zen!

Die Mehr­kos­ten lie­gen im 10-Cent-Be­reich und soll­ten in den meis­ten Fäl­len kei­ne Rol­le spie­len. Zu­ge­ge­ben, es kos­tet ein biss­chen Pla­ti­nen­flä­che und der Ent­wick­ler der Schal­tung muss ein biss­chen län­ger da­r­ü­ber nach­den­ken...

Nor­ma­ler­wei­se wür­de ich an die­ser Stel­le auch noch war­nen: ach­ten Sie auf die SOA des Tran­sis­tors. Viel­leicht macht die­se uns noch ei­nen Strich durch die Rech­nung. Aber ich ha­be we­der im Da­ten­blatt des BC546 noch bei ei­nem ver­gleich­ba­ren Klein­sig­nal­tran­sis­tor An­ga­ben über die SOA ge­fun­den. Viel­leicht spielt die tat­säch­­lich kei­ne Rol­le? Nur ein Pra­xis­test könn­te da noch Si­cher­heit ver­schaf­fen.

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