Stromsparschaltung für Relais

Für ein nor­ma­les mo­no­sta­bi­les Re­lais reicht es aus, den ge­for­der­ten An­zugs­strom zu lie­fern, eben bis es an­ge­zo­gen ist. Da­nach reicht ein Hal­te­strom, der deut­lich nied­ri­ger ist (meist rei­chen 30..50% des An­zugs­stromes si­cher aus).

Diesen kann man ana­log zur Ver­fü­gung stel­len (was die Ver­lust­leis­tung al­ler­dings er­hö­hen wür­de), oder man be­dient sich ei­ner PWM.

Mit ei­nem Mi­cro­con­trol­ler wä­re das kein Pro­blem, ein­fach das Re­lais an ei­nen PWM-Aus­gang und Sie kön­nen ma­chen, was sie wol­len. Aber auch bei ei­nem dis­kret ge­schal­te­ten Re­lais geht das... mit nur ei­nem bil­li­gen IC, ei­nem 4093 (vier­fach NAND-Gat­ter mit Schmitt-Trig­ger Ein­gän­gen)!

Da­mit kann man die Ver­lust­leis­tung des Re­lais selbst bei ei­nem sym­me­tri­schen Si­gnal bis auf ein Vier­tel re­du­zie­ren, bei wei­te­rer Re­du­zie­rung des Duty Cycles bis auf 30% so­gar bis auf ein Zehn­tel!

Hier nun ei­ne Schal­tung, die dies mit ei­nem ein­zi­gen IC (ei­nem 4093, plus ein paar Wi­der­stän­den, zwei Kon­den­sa­to­ren und zwei Di­oden) mit mi­ni­ma­len Kos­ten re­a­li­siert. An­zu­mer­ken bleibt, dass es ICs gibt (wie den DRV103), die dies mit deut­lich klei­ne­rer Lei­ter­plat­ten­flä­che, al­ler­dings auch zum zehn­fa­chen Preis ein­fach lö­sen. Aber auch in der Ver­füg­bar­keit ist das 4093 wahr­schein­lich im Vor­teil. Ein 4093 be­kom­me ich im­mer von ir­gend­wo her, aber wenn beim DRV103 steht, nicht auf La­ger, Lie­fer­zeit 46 Wo­chen, dann kann es schon mal eng wer­den.

Die ei­gent­li­che Strom­spar­schal­tung ist et­wa die lin­ke Hälf­te des Schalt­plans, der Rest zeigt das Re­lais und Hilfs­mit­tel zur Mes­sung der Spu­len­span­nung und ‑Leis­tung.

R1 und C1 sor­gen für die Zeit des An­zug­im­pul­ses, der durch A5 und A2 (tat­säch­­lich nur ein Gat­ter des 4093, A5 ist nur nö­tig, weil es in LT­Spice kein NAND mit Schmitt-Trig­ger-Ein­gän­gen gibt) di­gi­ta­li­siert wird.

Die Schal­tung um A3 und A4 (eben­falls nur ein Gat­ter) er­zeugt die Takt­fre­quenz für die PWM, die mit­tels D3 und R6 nach be­lie­ben auch we­ni­ger als 50% Tast­ver­hält­nis ha­ben kann. In der ge­zeig­ten Kon­fi­gu­ra­tion lie­fert es et­wa 40%.

A6 schließ­lich (das zwei Gat­ter des 4093 be­nö­tigt, da wir das NAND-Si­gnal noch­mal in­ver­tie­ren müs­sen) fügt bei­des zu­sam­men.

Die Takt­fre­quenz muss so hoch sein, dass der Spu­len­strom nicht auf 0 sin­ken kann. Nur dann kön­nen wir die Spu­len­leis­tung vier­teln (oder auch noch wei­ter he­rab­sen­ken).

In mei­ner Si­mu­la­tion ist C2 da­für viel zu groß, aber er er­höht da­mit er­heb­lich die Si­mu­la­tions­ge­schwin­dig­keit und ist zur Ver­an­schau­li­chung bes­ser ge­eig­net. Tat­säch­lich soll­te C2 et­wa 4,7nF sein, um den Strom durch die Spule nicht auf 0 sin­ken zu las­sen und kei­ne hör­ba­ren Stö­run­gen zu er­zeu­gen.

Der tat­säch­­li­che Wert müss­te in der Re­a­li­tät über­prüft wer­den, da wir hier nur mit behavioral Models ar­bei­ten, die nur un­ge­fähr ei­nem ech­ten 4093 ent­spre­chen. Glei­ches gilt für die Dau­er des An­zugs­im­pul­ses. Die­ser ist hier mit et­wa ei­ner Se­kun­de ziem­lich lang, aber in ei­ner Se­kun­de ent­steht auch noch nicht viel Ver­lust­wär­me. Aber es ist si­cher­ge­stellt, das je­des be­lie­bi­ge Re­lais auch voll­stän­dig an­ge­zo­gen ist. Wenn nö­tig bzw. ge­wünscht kann man ihn durch Ver­klei­ne­rung von C1 na­tür­lich auch ver­kür­zen.

Na­tür­lich funk­tio­niert die Si­mu­la­tion auch mit 4,7nF aber sie dau­ert er­heb­lich län­ger (dann re­den wir schon über Mi­nu­ten!). Aber man kann dann auch die tat­säch­­li­che Spu­len­leis­tung (V_Pow, 1 V≙1 W) und der ef­fek­ti­ven Spu­len­span­nung (V_RelAvg) aus der Si­mu­la­tion ab­le­sen.

Über­tra­gen auf die vier NAND-Schmitt-Trig­ger ei­nes 4093 (oder auch ei­nes 74xx132) sieht die Schal­tung aus wie hier dar­ge­stellt. Die Schmitt-Trig­ger-Ein­gän­ge sind wich­tig da wir an den zwei RC-Glie­dern mit ana­lo­gen Si­gna­len ar­bei­ten. Ich muss be­to­nen, ich ha­be die Schal­tung bis­her nur si­mu­liert und tat­säch­­lich nie auf­ge­baut.

In mei­nem Fall hat­te ich vier Re­lais mit je­weils 800 mW Spu­len­leis­tung in ei­nem re­la­tiv klei­nen Ge­häu­se. Das sind 3,2 W, wel­che die Ge­häu­se-In­nen­tem­pe­ra­tur um fast 30°C (ge­mes­sen) an­he­ben konn­ten. Bei 50°C Um­ge­bungs­tem­pe­ra­tur wä­ren wir hier be­reits bei 80°C! Im Hin­blick auf die ma­xi­ma­le Sperr­schicht-Tem­pe­ra­tur von 150°C mag das noch nicht kri­tisch sein, aber ir­gend­wann schmilzt ein­fach das Ge­häu­se!

Mit die­ser Schal­tung könn­te man die Leis­tung et­wa ach­teln und der Tem­pe­ra­tur­an­stieg blie­be wohl deut­lich un­ter 5°C (bis­her nicht über­prüft) und das Re­lais blie­be trotz­dem si­cher an­ge­zo­gen. Im Bild se­hen Sie die ab­ge­senk­te Spu­len­span­nung und ent­spre­chend auch die Ver­lust­leis­tung (1 mV an Pow≙1 mW), die grob bei et­wa ei­nem Achtel liegt.

Die PWM-Fre­quenz muss im kHz-Be­reich lie­gen (der Strom durch die Spule darf nicht auf 0 sin­ken) denn sonst wird die Ver­lust­leis­tung nur mit DC mul­ti­pli­ziert (das Re­lais schal­tet ein­fach nur an und aus) und nicht mit DC²!

Emp­feh­lens­wert ist hier eher ei­ne Fre­quenz von deut­lich über 20 kHz um hör­ba­re Ge­räu­sche zu eli­mi­nie­ren. Im in­dus­triel­len Um­feld mag dies manch­mal auch kei­ne Rol­le spie­len, egal ob's pfeift, Haupt­sa­che es funk­tio­niert...

Die EMV soll­te in die­sem Be­reich durch­aus be­herrsch­bar sein da schnel­le Strom­än­de­run­gen in Pfa­den mit ho­her In­duk­ti­vi­tät (der Re­lais-Spule) nicht mög­lich sind. Q1 soll­te al­ler­dings nie­der­im­pe­dant an­ge­bun­den sein (der Kol­lek­tor na­he am Re­lais und den Emit­ter di­rekt in die Ground­plane), da hier durch­aus stei­le Strom­spit­zen auf­tre­ten. Glei­ches gilt für die Frei­lauf­di­ode, sie soll­te mög­lichst nah am Re­lais sein, da sie den Strom ab­wech­selnd und steil­flan­kig vom Tran­sis­tor über­nimmt.

Dies ist nur ei­ne Si­mu­la­tion. Ich ha­be die­se Schal­tung nie in der Re­a­li­tät auf­ge­baut. Die Ver­wen­dung er­folgt auf ei­ge­nes Ri­si­ko und Ver­ant­wor­tung. Spe­zi­ell in Um­ge­bun­gen mit star­ker Vi­bra­tion oder ho­hen G-Kräf­ten kann das Re­lais mög­li­cher­wei­se ab­fal­len wäh­rend es am La­bor­tisch an­ge­zo­gen bleibt. Testen Sie die Schal­tung im­mer auch in der Re­a­li­tät!