Wie Relais mit Freilaufdioden das elektrische Rauschen in Ihren Schaltkreisen reduzieren

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Manche Ingenieure haben die Angewohnheit, Probleme unnötig zu verkomplizieren anstatt nach einfachen, logischen Lösungen zu suchen. Als beispielsweise vor Kurzem das Motorrad eines meiner Freunde seinen Geist aufgab, verbrachte dieser Stunden damit, die Batterie, den Vergaser und die Elektrik zu überprüfen. Nur um dann feststellen zu müssen, dass die ganze Mühe umsonst gewesen war. Denn am Ende fanden wir zu unserer Belustigung heraus, dass die vermeintliche Panne auf einen fehlerhaften Tankanzeiger zurückzuführen war, der weiterhin einen hohen Füllstand anzeigte, obwohl das Benzin längst verbraucht war.

Auch in der Elektronikbranche gibt es manchmal einfache Lösungen für scheinbar äußerst komplizierte Herausforderungen. So können Sie Spannungsspitzen in Schaltkreisen mit mechanischen Relais verhindern, wenn Sie eine Freilaufdiode in Ihrem PCB-Design platzieren. (Wie wir später sehen werden, kann es allerdings auch nach der Hinzufügung einer Freilaufdiode vorkommen, dass Ihr Controller immer wieder neu startet und Sie dann weitere Störquellen identifizieren müssen. Doch keine Sorge: Genau wie im Fall des Motorrads meines Freundes liegen die Ursachen oft auf der Hand und lassen sich mit bewährten Design-Methoden zur Minimierung des Rauschens beheben.) Im Folgenden erfahren Sie, wie Sie mithilfe von Freilaufdioden die elektromagnetischen Störungen in Ihren Relais reduzieren und was Sie beachten sollten, wenn Ihre Leiterplatte Teil eines umfassenderen Systems ist.

Was ist eine Freilaufdiode und warum darf sie bei bestimmten Anwendungen nicht fehlen?

Wenn Sie bereits Leiterplatten mit mechanischen Relais erstellt haben, dürften Ihnen Freilaufdioden vertraut sein. Falls nicht, dann sind Sie hier genau richtig. Einfach ausgedrückt handelt es sich bei einer Freilaufdiode um eine Diode, die von der Speisespannung in Sperrrichtung beansprucht wird und parallel zur Induktionsspule des Relais geschaltet ist. Diese Dioden dienen zum Schutz vor den Spannungsspitzen, die beim Abschalten eines Relais auftreten. Aus diesem Grund werden sie auch als Schutz- oder Entlastungsdioden bezeichnet.

Wenn die Kontakte eines Relais geschlossen werden, baut sich in der Induktionsspule eine Spannung auf, die der Potenzialdifferenz zwischen den Polen der Stromquelle entspricht. Gemäß den Gesetzen der Induktion bzw. Selbstinduktion kann sich der durch die Spule fließende Strom nicht sprunghaft ändern, sondern folgt dem Verlauf einer Exponentialfunktion mit einer charakteristischen Zeitkonstante. Das bedeutet unter anderem, dass der Stromfluss bei Unterbrechung der Stromversorgung nicht sofort auf Null zurückgeht, sondern exponentiell abfällt. Die Induktionsspule hält den Stromfluss nach dem Abschalten also noch über einen gewissen Zeitraum (mit abnehmender Stärke) in der ursprünglichen Richtung aufrecht. Dabei kehrt sich ihre Polarität um und es entsteht eine enorme Potenzialdifferenz am Schalter des Relais.

Dieses als Rücklaufspannung bezeichnete Phänomen kann Lichtbogen und Beschädigungen der Steuerelemente des Relais nach sich ziehen. Darüber hinaus können Rücklaufspannungen elektrisches Rauschen verursachen, das dann wiederum Rückkopplungseffekte in benachbarten Signal- und Leiterbahnen erzeugen und zur Abschaltung oder zum Absturz von Mikrocontrollern führen kann. Wenn ein elektronisches Steuerpult jedes Mal beim Abschalten eines Relais neu startet, ist dies aller Wahrscheinlichkeit nach auf ein Problem mit Rücklaufspannungen zurückzuführen.

Sie können dieses Problem beheben, indem Sie eine Diode mit umgekehrter Polarität parallel zur Induktionsspule schalten. Solange der Stromkreis des Relais geschlossen ist, liegt die Spannung in Sperrrichtung an und es fließt kein Strom durch die Diode. Doch wenn der Stromkreis unterbrochen wird und sich die Polarität der Spule umkehrt, ist die Diode mit einem Mal in Durchlassrichtung gepolt. Dadurch kann der Strom nun mit minimalen Widerstand durch die Diode fließen, sodass der Potenzialwall abgebaut wird. Das ist das Funktionsprinzip einer Freilaufdiode.

 
Three diodes

Winzige Freilaufdioden verhindern riesige Bauteilschäden durch Rücklaufspannungen.

Was tun, wenn trotz Freilaufdioden Störungen durch elektrisches Rauschen auftreten?

Möglicherweise glauben Sie jetzt, dass Sie alle durch elektrisches Rauschen hervorgerufenen Probleme lösen können, indem Sie Freilaufdioden in Ihre Stromkreise implementieren. Ich zumindest war dieser Meinung, bis ich einmal mit einer äußerst rätselhaften Funktionsstörung eines von mir designten Feuchtereglers konfrontiert war. Der fragliche Feuchteregler startete immer wieder neu, und zwar trotz der Tatsache, dass ich jedes einzelne darin enthaltene Relais mit einer Freilaufdiode versehen hatte.

Eigentlich war die Reparatur dieses Geräts, das mit externen mechanischen Relais zur Steuerung industrieller Heizelemente verbunden war, eine Routineaufgabe. Doch das Projekt entwickelte sich schnell zu einer ausufernden Suche nach den Ursachen des Problems. Dabei wurde ich ständig von der Sorge geplagt, ich könnte beim Design der Leiterplatte einen folgenschweren Fehler gemacht haben, der nun den Betrieb von Dutzenden Anlagen mit ähnlicher Ausstattung beeinträchtigte.

Nachdem ich viele Stunden lang den Einsatz verschiedener Stromquellen, Kabel, Erdungsmethoden und EMV-Folien ausprobiert hatte, dämmerte es mir, dass die Störung womöglich durch die externen mechanischen Relais verursacht wurde. Ich ging meinem Verdacht nach und fand heraus, dass keines der von einem Drittunternehmen installierten externen Relais mit Freilaufdioden gesichert war. Dieser Mangel resultierte in Rücklaufspannungen und begleitenden elektrischen Störungen, die über das Verbindungskabel in den Feuchteregler übertragen wurden. Damit hatte ich den Grund für die häufigen Systemneustarts gefunden

In einem solchen Fall sind Ihre Möglichkeiten natürlich begrenzt, da sich die von Drittunternehmen installierten Geräte Ihrer Kontrolle entziehen. Das ist jedoch kein Grund, beim Design Ihrer eigenen PCBs die Best Practices für den Einsatz von Freilaufdioden zu vernachlässigen. Insbesondere sollten Sie stets sicherstellen, dass der maximale Diffusionsstrom der Diode über der maximalen Stromstärke durch die Spule liegt und dass die Sperrspannung der Diode die Nennspannung an der Spule übersteigt.

Close up Relay actuators inside the Industrial power case

Fehlende Freilaufdioden können ein elektrisches Desaster verursachen.

Abgesehen davon platziere ich die Freilaufdioden in meinen Designs stets so nahe wie möglich an den Relais. Dabei verwende ich für die meisten Anwendungen ein Standardmodell wie die 1N4007, das alle gängigen Anforderungen erfüllt und mir darüber hinaus die manuelle Zusammenstellung der Anschlussdaten erspart. Und falls ich doch einmal auf weniger gängige Bauteile ausweichen muss, erleichtert mir das leistungsstarke Stücklistenverwaltungstool von Altium meine Recherchen zur Verfügbarkeit und den technischen Details der Komponenten sowie das Bauteilmanagement in allen Projektphasen. Das ist besonders hilfreich, wenn ich Teile älterer Designs erneut verwende.

Ich hoffe, dass an dieser Stelle Ihre drängendsten Fragen zum Thema beantwortet sind. Falls Sie mehr über die Einsatzmöglichkeiten von Freilaufdioden erfahren möchten, sollten Sie Kontakt mit einem Experten von Altium aufnehmen.

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