Was bedeuten die Anzugsspannung und die Abfallspannung eines Relais?

Willkommen zu unserem vollständigen Leitfaden zu den wichtigsten elektrischen Parametern von Relais. Wir behandeln die Kernkonzepte des Relaisbetriebs, die für ein zuverlässiges Systemdesign wichtig sind.

Die Anzugsspannung wird auch als Betriebsspannung bezeichnet. Dies ist die minimale Spulenspannung, die zum Erregen des Relais erforderlich ist. Dadurch werden seine Kontakte von ihrer Normalposition in die betätigte Position bewegt.

Die Freigabespannung ist die „Muss-Freigabe“-Spannung. Dies ist die maximale Spannung, bei der ein aktiviertes Relais definitiv abfällt-. Dadurch können die Kontakte in ihren normalen Ruhezustand zurückkehren.

Sie müssen diese beiden Parameter verstehen, um vorhersehbare, robuste und ausfallsichere elektronische Schaltkreise zu entwerfen. Dieser Leitfaden geht über einfache Definitionen hinaus. Wir untersuchen praktische Auswirkungen, Umweltfaktoren, die diese Werte beeinflussen, und wie man sie aus Datenblättern richtig liest.

In diesem Leitfaden behandeln wir Folgendes:

Die grundlegenden Definitionen und die Physik hinter der Einzugs- und Freigabespannung.

Das entscheidende Konzept der Hysterese und warum sie ein stabiles Schalten gewährleistet.

Reale-Faktoren wie Temperatur- und Stromversorgungsschwankungen beeinflussen die Relaisleistung.

Lesen und Interpretieren von Datenblattspezifikationen für ein zuverlässiges Schaltungsdesign.

Umsetzbare Designregeln und eine praktische Fallstudie.

Die Grundlagen

Was ist Pull-Spannung?

Die Anziehungsspannung- löst die mechanische Wirkung des Relais aus. Wenn Spannung an die Spule des Relais angelegt wird, fließt Strom und erzeugt ein elektromagnetisches Feld.

Die Anziehungsspannung ist der spezifische Punkt, an dem die Magnetkraft stark genug wird. Es muss die vereinten Gegenkräfte überwinden. Dazu gehören die Spannung der Rückstellfeder des Ankers und der statische Druck der Öffnerkontakte.

Bei dieser Spannung wird der Anker zum Spulenkern gezogen. Dadurch wechseln die beweglichen Kontakte ihren Zustand. Normalerweise geschlossene Kontakte werden geschlossen und normalerweise geschlossene Kontakte werden geöffnet.

Der Wert auf einem Datenblatt ist ein garantierter Maximalwert. Die tatsächliche Anzugsspannung einer einzelnen Relaiseinheit kann niedriger sein. Das Datenblatt garantiert, dass das Relais bei oder unter dieser angegebenen Spannung arbeitet. Beispielsweise muss die Betriebsspannung höchstens 9,6 V betragen.

Bei den meisten Standard-Gleichstromrelais wird die Anzugsspannung als Prozentsatz der Nennspulenspannung angegeben. Typischerweise liegt dieser bei 70 % oder 80 %. Für ein herkömmliches 12-V-Gleichstrom-Relais würde die garantierte Anzugsspannung mit weniger als oder gleich 9,6 V-Gleichstrom (80 % von 12 V) angegeben werden.

Was ist die Freigabespannung?

Die Auslösespannung stellt den Schwellenwert für die Deaktivierung dar. Wenn die Spannung an einer erregten Spule abnimmt, nimmt der Stromfluss ab. Das Magnetfeld wird schwächer.

Die Auslösespannung ist der Punkt, an dem die Magnetkraft zu schwach wird. Es kann den Anker nicht mehr gegen die mechanische Kraft der Rückstellfeder halten.

Bei dieser Spannung überwindet die Rückstellkraft der Feder die restliche magnetische Anziehung. Dadurch wird der Anker vom Kern weggezogen. Durch diese Aktion werden die Kontakte in ihren normalen, stromlosen Zustand zurückversetzt.

Wie die Anzugsspannung ist auch die Freigabespannung in einem Datenblatt ein garantiertes Minimum. Es ist garantiert, dass das Relais abgefallen ist, sobald die Spulenspannung auf diesen Wert oder darunter fällt. Eine typische Spezifikation könnte lauten: „Die Freigabespannung muss größer oder gleich 1,2 V sein“.

Dieser Wert wird oft auch als Prozentsatz der Nennspannung ausgedrückt. Bei Gleichstromrelais wird die Auslösespannung üblicherweise mit 10 % oder mehr des Nennwerts angegeben. Bei einem 12-VDC-Relais wäre die garantierte Auslösespannung größer oder gleich 1,2 VDC.

Das Konzept der Hysterese

Was bedeuten die Anzugsspannung und die Abfallspannung eines Relais für einen stabilen Betrieb? Die Anzugsspannung eines Relais ist immer deutlich höher als seine Freigabespannung. Dieser Unterschied zwischen den beiden Schwellenwerten wird als Hysterese bezeichnet.

Diese Eigenschaft ist kein Mangel. Dies ist eine grundlegende und notwendige Funktion für einen stabilen Relaisbetrieb. Die Hysterese verhindert, dass das Relais „flattert“-schnell ein- und ausschaltet-, wenn die Steuerspannung in der Nähe eines einzelnen Schaltpunkts schwankt.

Stellen Sie sich vor, die Einzugs- und Freigabespannungen wären identisch. Jedes kleine Rauschen oder jede Schwankung des Steuersignals um diesen einzelnen Schwellenwert würde dazu führen, dass das Relais schnell ein- und ausschaltet. Dies führt zu Kontaktlichtbögen, vorzeitigem Verschleiß und unvorhersehbarem Systemverhalten.

Die Hystereseschleife sorgt für eine Totzone. Sobald das Relais angezogen ist, muss die Spannung deutlich abfallen, bevor es abfällt. Dies gewährleistet einen sauberen und entschlossenen Schaltvorgang.

Wir können dies mit einem einfachen Diagramm veranschaulichen, in dem der Zustand des Relais gegenüber der Spulenspannung aufgetragen wird.

Diese Grafik zeigt deutlich zwei getrennte Pfade zum Ein- und Ausschalten. Sie bilden eine Schleife, die die Hysterese des Relais darstellt.

Einflussfaktoren der realen-Welt

Die Rolle der Spulentemperatur

Der einflussreichste Faktor, der die Anzugs--Anzugs- und Freigabespannungen eines Relais in einem realen-Stromkreis beeinflusst, ist die Temperatur seiner Spule.

Die Physik ist einfach. Eine Relaisspule ist mit Kupferdraht umwickelt, der einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist. Für Kupfer beträgt dieser Wert etwa +0.4 % pro Grad Celsius.

Wenn die Temperatur der Spule steigt, erhöht sich ihr Gleichstromwiderstand. Dies geschieht entweder durch eine hohe Umgebungstemperatur oder durch Eigenerwärmung aufgrund des Dauerbetriebs. Gemäß dem Ohmschen Gesetz (V=IR) ist bei steigendem Widerstand (R) eine höhere Spannung (V) erforderlich, um die gleiche Stromstärke (I) zu erzeugen, die zur Erzeugung des auslösenden Magnetfelds erforderlich ist.

Wenn die Spule heißer wird, erhöht sich ihre effektive Einzugsspannung. Ein Relais, das in einem 25-Grad-Labor zuverlässig bei 9 V anzieht, benötigt zum Anziehen möglicherweise 11 V oder mehr, wenn es in einem heißen Gehäuse bei 80 Grad betrieben wird.

Die Auswirkung auf die Freigabespannung ist ähnlich. Eine heißere Spule mit höherem Widerstand bedeutet, dass die Spannung auf einen niedrigeren Wert abfallen muss, um das Magnetfeld so weit zu reduzieren, dass der Anker auslöst. Daher steigt auch die effektive Auslösespannung mit der Temperatur.

Wir haben einmal einen Feldfehler untersucht, bei dem eine Steuereinheit im Labor (25 Grad) einwandfrei funktionierte, aber in einem Außengehäuse unter der Sommersonne (70 Grad) kein kritisches Sicherheitsrelais betätigte. Das Design lieferte eine Spannung knapp über der Kaltzugsspezifikation. Der signifikante Anstieg der Pull-in-Spannung bei hohen Temperaturen konnte nicht berücksichtigt werden. Die Lösung erforderte eine Neugestaltung der Treiberschaltung, um unter allen thermischen Bedingungen eine höhere garantierte Ausgangsspannung bereitzustellen.

Variationen der Stromversorgung

Die Stromversorgung einer Schaltung ist nie perfekt. Seine Variationen wirken sich direkt auf den Relaisbetrieb aus. Designer müssen diesen Realitäten Rechnung tragen.

Erstens handelt es sich um die Angebotstoleranz selbst. Ein für „12 V“ ausgelegtes Netzteil beträgt häufig 12 V ±5 % oder sogar ±10 %. Ein Designer muss mit dem Worst-Case-Szenario arbeiten. Wenn die Versorgung auf 11,4 V (-5 %) absinken kann, muss diese Mindestspannung unter Berücksichtigung der vollständigen Temperatureffekte immer noch deutlich über der maximal möglichen Anzugsspannung des Relais liegen.

Zweitens ist der Spannungsabfall oder I*R-Abfall. Die Drähte und Leiterplattenbahnen, die die Stromquelle mit der Relaisspule verbinden, weisen einen Widerstand auf. Selbst ein kleiner Widerstand über einen langen Drahtweg kann einen erheblichen Spannungsabfall verursachen, wenn die Spule Strom zieht. Die Spannung an der Relaisspule ist niedriger als die Spannung an den Stromversorgungsklemmen. Dieser Faktor muss bei der Auslegung berechnet und kompensiert werden.

Schließlich ist die Spannungswelligkeit ein Problem, insbesondere bei einfacheren AC{0}}DC-Netzteilen. Wenn die Welligkeit der Gleichspannung groß genug ist, könnte der Spannungstiefpunkt unter die Halte- oder Freigabespannung des Relais fallen. Dies führt dazu, dass das Relais klappert oder unerwartet auslöst. Dies ist besonders problematisch für Schaltkreise, die nahe der Auslösespannungsschwelle arbeiten.

Auswirkungen der Spulenunterdrückung

Wenn ein Transistor den Strom zu einer induktiven Last wie einer Relaisspule abschaltet, induziert das kollabierende Magnetfeld eine große Spannungsspitze (V=-L * di/dt). Diese Spitze kann den Treibertransistor leicht zerstören, wenn sie nicht unterdrückt wird.

Die gebräuchlichste Unterdrückungsmethode ist eine einfache parallel zur Spule geschaltete Flyback-Diode. Wenn der Transistor abschaltet, stellt die Diode einen sicheren Pfad für die Zirkulation und Ableitung des induzierten Stroms bereit. Das schützt den Fahrer.

Diese Methode hat jedoch einen erheblichen Nachteil-. Der zirkulierende Strom verlängert die Existenz des Magnetfeldes. Dadurch bleibt der Anker des Relais länger im stromführenden Zustand. Dadurch verlängert sich die Abfallzeit des Relais erheblich.

Diese Verzögerung kann bei Anwendungen, die schnelles Umschalten erfordern, unakzeptabel sein. Darüber hinaus kann das langsame Abklingen des Magnetfelds auch die Spannung, bei der das Relais schließlich auslöst, effektiv erhöhen.

Für Anwendungen, bei denen die Release-Zeit entscheidend ist, sind bessere Unterdrückungsmethoden erforderlich. Eine mit der Standarddiode in Reihe geschaltete Zener-Diode oder ein Widerstands--Kondensator-Dämpfungsnetzwerk (RC) können einen schnelleren Abklingpfad für den Spulenstrom bieten.

Hier ist ein Vergleich gängiger Unterdrückungstechniken:

Bei der Auswahl der richtigen Unterdrückungsmethode muss ein Gleichgewicht zwischen dem Schutz der Treiberkomponente und dem Erreichen der erforderlichen Relaisfreigabeleistung gefunden werden.

Praktische Anwendung und Design

Ein Datenblatt lesen

Die Umsetzung der Theorie in die Praxis beginnt mit der korrekten Interpretation des Datenblatts eines Relais. Der Abschnitt mit den Spulendaten enthält die kritischen Spannungsspezifikationen, die das Design Ihrer Treiberschaltung bestimmen.

Lassen Sie uns die wichtigsten Parameter aufschlüsseln, die Sie finden werden.

Nennspulenspannung:Dies ist die standardmäßig vorgesehene Betriebsspannung für den Dauerbetrieb. Das Relais ist für optimale Leistung und Lebensdauer bei dieser Spannung ausgelegt.

Muss betrieben werden (Pull-in) Spannung:Dies wird als Maximalwert angegeben (z. B. kleiner oder gleich 9,6 V). Ihr Schaltkreis muss unter allen Bedingungen (im ungünstigsten Fall niedrige Versorgung, maximale Temperatur) mindestens diese Spannung liefern, um eine Betätigung zu gewährleisten.

Muss Spannung freigeben:Dies wird als Mindestwert angegeben (z. B. größer oder gleich 1,2 V). Um sicherzustellen, dass das Relais nicht mehr aktiviert wird, muss die Spannung im „Aus“-Zustand Ihres Stromkreises unter diesem Wert liegen.

Maximale Dauerspannung:Dies ist die höchste Spannung, die die Spule unbegrenzt aushalten kann, ohne dass sie überhitzt oder beschädigt wird. Eine Überschreitung kann die Lebensdauer des Relais drastisch verkürzen.

Nachfolgend finden Sie ein Beispiel einer typischen Spulendatentabelle für ein 12-V-Gleichstrom-„Zuckerwürfel“-Relais.

Sorgfältiges Lesen ist unerlässlich. Beachten Sie, dass diese Kernspezifikationen oft bei einer Referenztemperatur angegeben werden, normalerweise 25 Grad. Wie wir bereits besprochen haben, ändern sich diese Werte bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen.

Design-Fallstudie: UVLO

Wenden wir diese Konzepte auf ein praktisches Designproblem an: die Schaffung einer Batterie-Unterspannungs-Sperrschaltung (UVLO).

Ziel ist es, eine 12-V-Blei-Säure-Batterie vor Tiefentladung zu schützen. Der Schaltkreis muss eine Last automatisch trennen, wenn die Batteriespannung auf einen kritischen Wert abfällt, beispielsweise 11,5 V. Die Last sollte erst wieder angeschlossen werden, nachdem die Batterie auf eine gesündere Spannung, beispielsweise 12,5 V, aufgeladen wurde.

Die Herausforderung besteht darin, ein geeignetes Relais auszuwählen und die Steuerlogik zu entwerfen. Die natürliche Hysterese eines Relais scheint für diese Aufgabe perfekt geeignet zu sein.

Unsere Analyse erfordert, dass das Relais zwei Aktionen basierend auf Spannungsschwellenwerten ausführt:

Das Relais mussfreigeben(Trennen Sie die Last), wenn die Systemspannung auf 11,5 V abfällt.

Das Relais musshineinziehen-(Schließen Sie die Last wieder an), wenn die Systemspannung auf 12,5 V ansteigt.

Im Auswahlprozess würden wir zunächst nach einem standardmäßigen 12-V-DC-Nennrelais suchen. Die Datenblattspezifikationen sind unser wichtigster Leitfaden. Die erforderliche Auslösespannung muss deutlich unter unserem Trennschwellenwert von 11,5 V liegen. Die erforderliche Betriebsspannung muss unter unserem 12,5-V-Wiederverbindungsschwellenwert liegen.

Ein professioneller Ingenieur weiß jedoch, dass er bei der Konstruktion nicht direkt nach diesen Spezifikationen mit großen Toleranzen-konstruieren darf. In der Praxis würden wir uns bei der Festlegung unserer kritischen UVLO-Schwellenwerte niemals auf die ungenauen Anzugs- und Freigabespannungen des Relais verlassen. Die Anzugsspannung und die Freigabespannung des Relais haben eine inhärente Hysterese, die zu variabel ist und stark von der Temperatur abhängt.

Stattdessen nutzen wir die Spezifikationen des Relais, um ein sicheres Betriebsfenster für eine viel präzisere externe Triggerschaltung zu schaffen. Wir würden eine Komparatorschaltung (unter Verwendung eines Operationsverstärkers oder eines speziellen Überwachungs-ICs) mit einem präzisen Widerstandsteiler entwerfen, um die Schwellenwerte von 11,5 V und 12,5 V festzulegen. Dieser Komparator treibt dann einen Transistor an, der wiederum die Relaisspule ansteuert.

Bei diesem Design orientieren wir uns bei der Wahl unseres Relais daran, sicherzustellen, dass es unsere Präzisionsschaltung nicht beeinträchtigt. Wir würden ein Relais mit einer Muss-Auslösespannung von beispielsweise größer oder gleich 1,2 V und einer Muss-Betriebsspannung von kleiner oder gleich 9,6 V wählen. Dieses breite, garantierte Fenster (von 1,2 V bis 9,6 V) bietet uns ausreichend Spielraum. Unsere Präzisionsschaltung kann dann zuverlässig bei 11,5 V und 12,5 V arbeiten, völlig immun gegen die großen Toleranzen und thermischen Drift des Relais.

Diese Fallstudie zeigt, dass die Eigenschaften des Relais ein entscheidender Teil des Systemdesigns sind. Aber sie werden von externen Geheimdiensten gemanagt und kontrolliert, anstatt sich selbst auf ihre Präzision zu verlassen.

Design-Faustregeln

Für einen robusten Relaisantrieb befolgen wir eine Reihe von Grundprinzipien, die in dieser Checkliste zusammengefasst sind.

Regel 1: Achten Sie auf die Lücken.Stellen Sie immer sicher, dass die minimale garantierte Ausgangsspannung Ihrer Treiberschaltung größer ist als die maximal spezifizierte Anzugsspannung des Relais. Berücksichtigen Sie eine möglichst hohe Betriebstemperatur.

Regel 2: Das Low-End zählt.Stellen Sie sicher, dass die Leckspannung Ihres Treibers im „Aus--Zustand zusammen mit etwaigen Systemgeräuschen immer unter der minimalen spezifizierten Freigabespannung des Relais liegt. Dadurch wird verhindert, dass das Relais nicht abschaltet-.

Regel 3: Die Temperatur ist nicht dein Freund.Reduzieren Sie Ihre Spannungsberechnungen immer für den ungünstigsten-Case der thermischen Umgebung. Eine gute Vorgehensweise besteht darin, beim Übergang von einer 25-Grad-Laborumgebung zu einer heißen 85-Grad-Industrieanwendung eine Erhöhung der Anzugsspannung um mindestens 20-25 % einzukalkulieren.

Regel 4: Fahren Sie mit Autorität.Treiben Sie niemals eine Relaisspule direkt über einen Standard-I/O-Pin eines Mikrocontrollers an. Diese Pins verfügen über eine begrenzte Stromlieferfähigkeit und eine hohe Ausgangsimpedanz. Verwenden Sie einen dedizierten Treiber wie einen BJT oder MOSFET, der der Spule sauberen Strom mit niedriger-Impedanz liefern kann.

Regel 5: Unterdrücken Sie mit Bedacht.Eine Flyback-Diode über der Spule ist die Mindestanforderung zum Schutz des Treibers. Wenn Ihre Anwendung empfindlich auf die Release-Zeit reagiert, investieren Sie die zusätzlichen Komponenten in eine Zenerdiode oder eine RC-Snubber-Lösung.

Erweiterte Überlegungen

Selbsthaltende Relais

Es ist wichtig, zwischen standardmäßigen nicht{0}}selbsthaltenden Relais und selbsthaltenden Relais zu unterscheiden, die nach einem anderen Paradigma arbeiten.

Im Gegensatz zu einem nicht-selbsthaltenden Relais, das kontinuierliche Spulenspannung benötigt, um seinen Zustand beizubehalten, ist ein selbsthaltendes Relais bistabil. Es wechselt den Zustand mit einem kurzen Spannungsimpuls und bleibt dann ohne Stromverbrauch in diesem neuen Zustand.

Diese Relais verfügen nicht über eine herkömmliche Einzugs- oder Freigabespannung. Stattdessen spezifizieren ihre Datenblätter einen Set-Spannungsimpuls, um die Kontakte in die stromführende Position zu bewegen, und einen Reset-Spannungsimpuls (oft an einer separaten Spule), um sie in die normale Position zurückzubringen.

Der Hauptvorteil liegt in der enormen Energieeinsparung. Dies macht Stromstoßrelais ideal für batteriebetriebene oder energieempfindliche Anwendungen, bei denen ein Zustand über lange Zeiträume aufrechterhalten werden muss.

AC- vs. DC-Spulen

Die in diesem Leitfaden besprochenen Prinzipien gelten hauptsächlich für DC-{0}}Spulenrelais. AC-Spulenrelais sind unterschiedlich aufgebaut.

Der Betrieb einer Gleichstromspule wird durch ihren Gleichstromwiderstand und den daraus resultierenden Strom bestimmt. Der Betrieb einer Wechselstromspule basiert jedoch auf ihrer Impedanz bei der angegebenen Netzfrequenz (z. B. 50 Hz oder 60 Hz).

Wechselstromspulen enthalten häufig einen Schattierungsring oder eine Schattierungsspule. Dabei handelt es sich um eine einzelne, kurzgeschlossene Kupferwindung, die in die Vorderseite des Kerns eingebettet ist. Es erzeugt einen verzögerten magnetischen Fluss, der den Anker während der Nulldurchgänge der Wechselstrom-Sinuswelle in Position hält. Dies verhindert hörbares Summen und Kontaktklappern.

Ihre Anzugs- und Freigabespannungsspezifikationen werden daher in Volt Wechselstrom (VAC) angegeben und müssen im Kontext der Stabilität der Wechselstromquelle bewertet werden.

Fazit: Die Grundlage einer zuverlässigen Kontrolle

Einzugs- und Freigabespannung sind mehr als nur Zahlen auf einem Datenblatt. Sie definieren das grundlegende Betriebsfenster eines elektromechanischen Relais. Die Hysterese, die durch die Lücke zwischen diesen beiden Schwellenwerten entsteht, ist der Schlüssel zur Gewährleistung einer sauberen, stabilen und vibrationsfreien Umschaltung.

Ein erfolgreiches Design muss jedoch über diese statischen Raumtemperaturwerte hinausblicken. Die zentrale Botschaft dieses Leitfadens ist, dass eine robuste Schaltung die dynamischen, realen -Faktoren berücksichtigen muss, die sich direkt auf die Relaisleistung auswirken. Dazu gehören insbesondere die erheblichen Auswirkungen von Spulentemperatur- und Stromversorgungsschwankungen.

Indem Ingenieure über das Komponentendatenblatt hinausgehen und das gesamte System -von der Stromquelle und der Treiberschaltung bis zur thermischen Umgebungsumgebung-berücksichtigen, können sie diese kritischen Parameter ordnungsgemäß verwalten. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, die grundlegenden Eigenschaften von Relais zu nutzen, um Steuerschaltungen zu bauen, die nicht nur auf dem Labortisch funktionieren, sondern auch im Feld wirklich zuverlässig sind.

Siehe auch

Relaisproduktionsprozess und Testablauf

Anwendung von Relais in Solarstromerzeugungssystemen

Wie unterscheidet man zwischen normalerweise offenen und normalerweise geschlossenen Kontakten eines Relais?

So wählen Sie die richtigen Kfz-Relais und Sicherungskästen aus