Worum es geht: Was beim Abschalten einer Spule passiert — Relais, Motor, Magnetventil — und wie eine einzige Diode das entschärft.
Wozu du das brauchst: Das ist der häufigste Weg, einen Schalttransistor umzubringen, und der tückischste: Die Schaltung läuft erst wochenlang. Wer eine Aufbau nach Tagen oder Monaten grundlos sterben sieht, findet die Ursache meist hier.
Danach kannst du: Relais und Motoren schalten, ohne den Transistor zu opfern, die passende Freilaufdiode auswählen und einschätzen, was sie an der Abfallzeit ändert.
Eine Last, die zurückschlägt
In den Bildern des letzten Moduls war die Last ein Widerstand. Schaltet man ihn ab, hört der Strom auf. Fertig.
Ein Relais, ein Motor, ein Magnetventil, ein Schrittmotor — sie alle enthalten eine Spule, und eine Spule hört nicht einfach auf. Sie hat eine Eigenschaft, die kein Widerstand hat:
Eine Spule will ihren Strom beibehalten.
Das ist das genaue Gegenstück zum Kondensator aus Modul 2, bei dem die Spannung nicht springen konnte. Bei der Spule ist es der Strom. Und wenn du ihm den Weg nimmst, sucht sie sich einen — notfalls durch dein Bauteil hindurch.
Wie viel Energie da drinsteckt
Ein gewöhnliches 5-V-Relais zieht rund 70 mA. Daraus folgt sein Spulenwiderstand:
R = 5 V / 70 mA = 71.4 Ω, Leistung P = 5 V · 70 mA = 0.35 W
Die Spule hat dabei eine Induktivität von etwa 100 mH, und in ihrem Magnetfeld steckt:
W = ½ · L · I² = ½ · 100 mH · (70 mA)² = 245 µJ
Das ist wenig — ungefähr so viel, wie eine Stecknadel beim Fallen aus 20 cm Höhe freisetzt. Der Punkt ist nicht die Menge, sondern die Zeit, in der sie freigesetzt wird.
Die Rechnung, die erschrickt
Wie hoch die Spannung wird, sagt das Gesetz der Induktivität:
U = L · di/dt
Je schneller die Stromänderung, desto höher die Spannung. Ein MOSFET schaltet in etwa einer Mikrosekunde ab:
U = 100 mH · 70 mA / 1 µs = 7 kV
Siebentausend Volt aus einer 5-V-Schaltung. Diese Zahl ist rechnerisch richtig und trotzdem irreführend, deshalb steht sie hier mit ihrer Erklärung zusammen und nicht allein: So hoch wird es nie, weil vorher etwas nachgibt. Und was nachgibt, ist der Transistor.
Sein Kanal bricht bei vielleicht 60 V durch, und in diesem Durchbruch landet die ganze Energie der Spule — in einem winzigen Bereich des Halbleiters, in Mikrosekunden. Einmal übersteht er das. Beim tausendsten Mal nicht mehr. Genau deshalb sind Schaltungen, die eine Woche laufen und dann sterben, fast immer Schaltungen ohne Freilaufdiode.
Die Lösung ist ein einziges Bauteil: eine Diode parallel zur Spule, mit der Kathode — dem Strich im Symbol — zur Versorgungsseite.
Im Normalbetrieb tut sie nichts. Die Versorgung liegt an der Kathode, die Diode sperrt, es fliesst kein Strom durch sie.
Im Augenblick des Abschaltens kehrt sich das um. Der Drain-Knoten wird von der Spule nach oben getrieben, und sobald er 0.7 V über die Versorgung steigt, leitet die Diode. Der Spulenstrom fliesst nun im Kreis: durch die Spule, durch die Diode, zurück in die Spule. Das ist der amberne Pfeil im Bild.
Damit steht die Spannung am Transistor fest:
U(max) = 5 V + 0.7 V = 5.7 V
Statt siebentausend Volt. Für zehn Rappen.
Der Verlauf zeigt beide Fälle nebeneinander. Solange der Transistor leitet, liegt die Spannung an seinem Drain nahe null. Im markierten Augenblick wird abgeschaltet.
Ohne Diode — die rote Kurve — schiesst sie senkrecht aus dem Bild. Sie endet dort, wo der Transistor nachgibt, und der Pfeil zeigt in die Richtung, in die man nicht schauen will.
Mit Diode — die grüne Kurve — springt sie auf 5.7 V und bleibt dort, solange der Spulenstrom fliesst. Danach fällt sie auf die Versorgungsspannung zurück.
Wie lange das dauert, sagt wieder eine Zeitkonstante — dieselbe Idee wie in Modul 3, nur mit L statt C:
τ = L / R = 100 mH / 71.4 Ω = 1.4 ms
Die Nebenwirkung: das Relais fällt später ab
Diese 1.4 ms sind kein Nebenschauplatz. Solange der Strom weiterfliesst, bleibt das Relais angezogen.
Die Diode verlängert also die Abfallzeit — bei einem Relais um einige Millisekunden, was fast immer gleichgültig ist. Stört es doch, setzt man eine Zenerdiode in Reihe zur Freilaufdiode: Dann steht am Transistor nicht 5.7 V, sondern etwa 20 V, der Strom klingt entsprechend schneller ab, und man hat den Kompromiss selbst in der Hand.
Die Grenze bleibt: Wieviel der Transistor verträgt, steht in seinem Datenblatt unter U(DS,max).
Welche Diode
Drei Angaben genügen:
| Angabe | Anforderung | für das Beispiel |
|---|---|---|
| I(F) — Dauerstrom | mindestens der Spulenstrom | ≥ 70 mA |
| U(R) — Sperrspannung | mindestens die Versorgung, mit Reserve | ≥ 5 V, praktisch ≥ 50 V |
| Bauart | schnell genug zum Umschalten | Schaltdiode oder Schottky |
Eine 1N4148 kann 200 mA und 75 V und kostet praktisch nichts — sie ist für Relais dieser Grösse die Standardantwort. Für Ströme über einem Ampere nimmt man eine 1N4007 oder eine Schottky-Diode.
Wichtig ist die Polung. Falsch herum eingelötet liegt die Diode im Normalbetrieb in Durchlassrichtung und schliesst die Versorgung kurz. Das merkst du sofort, und das ist der freundlichere von zwei möglichen Fehlern.
Motoren: dasselbe Problem, und noch eines dazu
Ein Gleichstrommotor ist ebenfalls eine Spule, also gilt alles bisher Gesagte unverändert. Er hat aber eine zweite Eigenheit: Bürsten. Die schleifen über den Kollektor, unterbrechen dabei laufend kleine Ströme und funken.
Dieses Funken erzeugt Störungen im gesamten Betrieb, nicht nur beim Abschalten. Die übliche Gegenmassnahme ist ein RC-Snubber direkt an den Motorklemmen — ein Widerstand von etwa 100 Ω in Reihe mit 100 nF. Er nimmt die schnellen Spitzen auf, bevor sie sich über die Zuleitungen verteilen.
Mehr zum Motor steht in diesem Kurs nicht. Drehzahl, Richtungsumkehr, H-Brücken und Regelung sind ein eigenes Thema; hier ist der Motor nur eine Last, die sich wehrt.
Wovon dieser Kurs nicht handelt
Ein Relais wird gern eingesetzt, um mit Kleinspannung etwas ganz anderes zu schalten. Was auf der Kontaktseite hängen kann, ist nicht Thema dieser Kursreihe — hier ist die geschaltete Seite eine Last mit Kleinspannung, und dabei bleibt es.
Was dich auf der Steuerseite interessiert, ist vollständig behandelt: Spulenstrom, Freilaufdiode, Abfallzeit.
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Warum ist die gerechnete Abschaltspitze von 7 kV in der Praxis nie zu messen?
2.Auf welche Spannung begrenzt eine Freilaufdiode die Spitze an einem MOSFET, der eine 5-V-Relaisspule schaltet?
3.Welche unerwünschte Nebenwirkung hat die Freilaufdiode?
4.Was unterscheidet einen Gleichstrommotor als Last von einer Relaisspule?