Wozu eine Freilaufdiode gut ist
Wird eine Relaisspule ohne Freilaufdiode abgeschaltet, entsteht durch Selbstinduktion eine hohe Überspannung. In der LTspice-Simulation mit einer 400-mH-Spule sind es über 200 V, während der schaltende IRF510 laut Datenblatt nur 100 V verträgt.
Eckdaten
| Induktive Last | 400 mH |
|---|---|
| Schalter | MOSFET IRF510 |
| Zulässige Drain-Source-Spannung | 100 V |
| Simulierte Überspannung ohne Diode | über 200 V |
| Betriebsspannung | 12 V, Innenwiderstand 5 Ω |
| Ansteuerung | Pulsquelle 0 bis 5 V, Flanken je 10 ms |
| Durchschaltschwelle | U_G = 4 V |
| Simulation | LTspice, Transientenanalyse über 50 ms, Schrittweite 1 µs |
Ziel
Eine Freilaufdiode wird parallel zu einer induktiven Last geschaltet. Warum das nötig ist, lässt sich schlecht behaupten und gut zeigen. Deshalb hier eine Simulation.
Als Anwendungsbeispiel dient die Spule des Koaxialrelais Tohtsu CX-120P mit 400 mH. Geschaltet wird sie von einem MOSFET vom Typ IRF510.
Aufbau der Simulation
Die Schaltung in LTspice besteht aus einer Spannungsquelle mit 12 V und 5 Ω Innenwiderstand, der Spule mit 400 mH, der Freilaufdiode parallel dazu und dem IRF510 als Schalter. Eine Pulsquelle steuert das Gate von 0 auf 5 V, mit Flanken von je 10 ms.
Bestimmt werden die Schaltspannung U_G am Gate des Schalt-FETs und die Drain-Source-Spannung U_D.
Ergebnis mit Diode
Mit Freilaufdiode sieht alles wunderbar aus. Das FET schaltet bei U_G = 4 V durch, und das Relais würde anziehen.
Die Wirkung der Diode lässt sich am Strom durch sie zeigen. In dem Moment, in dem die Spule eine hohe Spannung induzieren möchte, führt das zu einem Stromfluss durch die Diode. Dieser Strom wirkt der Selbstinduktion entgegen, weil es so zu keiner schnellen Stromänderung kommt.
Ergebnis ohne Diode
Wird die Freilaufdiode entfernt, ändert sich das Ganze dramatisch. Beim Einschalten ist noch alles in Ordnung. Beim Ausschalten entsteht durch die Selbstinduktion der Spule jedoch eine hohe Überspannung. In dem simulierten Beispiel mehr als 200 V.
Das MOS-FET IRF510 besitzt nach Datenblatt eine maximal zulässige Drain-Source-Spannung von 100 V und würde wahrscheinlich zerstört werden.
Dabei ist das Beispiel noch recht harmlos, wenn man sich die Flankensteilheit der Gatespannung ansieht. Zehn Millisekunden sind für einen Schaltvorgang ausgesprochen gemütlich. Wird die Spule schneller geschaltet, lassen sich leicht einige hundert Volt Überspannung erzeugen. Die Größe der selbstinduzierten Spannung folgt
u = −L · di/dt
und wächst damit direkt mit der Geschwindigkeit der Stromänderung.
Fazit
Die Diode kostet ein paar Cent und steht in jeder Grabbelkiste. Der FET dahinter kostet mehr, und der Ärger bei der Fehlersuche noch einmal deutlich mehr, weil ein durch Überspannung gestorbener MOSFET oft erst nach ein paar Schaltzyklen ausfällt und sich dann sporadisch verhält.