Ströme fließen nicht immer dorthin, wohin sie sollten Relais – unterschätzte „Übeltäter“?

Relais sind eigentlich einfache Bauteile: unempfindlich gegen Überspannung und Einstrahlung und zudem noch unschlagbar preiswert; letzteres gilt insbesondere, wenn sie in einer Brückenkonfiguration arbeiten...

Ströme fließen nicht immer dorthin, wohin sie sollten

Relais sind eigentlich einfache Bauteile: unempfindlich gegen Überspannung und Einstrahlung und zudem noch unschlagbar preiswert; letzteres gilt insbesondere, wenn sie in einer Brückenkonfiguration arbeiten. Ihr Schaltverhalten kann jedoch für Halbleiter in ihrem Umfeld tödlich sein. Wie das möglich ist und was man dagegen tun kann, zeigen die folgenden Ausführungen am Beispiel eines Türsteuergerätes.

Der Fensterhebermotor eines Kfz erreicht beim Anschlag einen Blockstrom im Bereich von 30 A und gelegentlich auch darüber. Auf diesen Wert lädt sich die Motorinduktivität LM auf, aber auch die Induktivität der Verdrahtung zwischen Relais-Brücke und Batterie (Bild 1).

Beim Abschalten des Motors über Relais 1 ist der Umschaltkontakt auf dem Weg von der Arbeits- zur Halteposition kurzzeitig offen (Bild 2). Hat der Motor – wie in vielen Fällen – einen Entstörkondensator (C1), dessen Kapazität bis zu mehrere μF groß sein kann, so lädt sich dieser auf eine Spannung auf, die nur von einem Varistor begrenzt wird – sofern dieser überhaupt vorhanden ist. Ein offener Kontakt von Relais 1 auf dem Weg zur Ruheposition hat folgende Auswirkungen: Der in der Verdrahtungsinduktivität (etwa 1 μH pro Meter) gespeicherte Strom sucht sich einen neuen Weg. Die in L1 vorhandene Energie verursacht auf der Versorgungsleitung einen positiven Überspannungsimpuls, der mehrere 100 V sein kann und begrenzt werden muss. Dies ist notwendig, damit die nachfolgenden Halbleiter, die zumeist am Us-Anschluss nur zwischen 40 und 50 V aushalten, nicht zerstört werden. In Bild 2 wäre dies die Motorbrücke für das Schloss. Eine kostengünstige Lösung besteht darin, die in L1 gespeicherte Energie über D1 auf den Ladekondensator des Spannungsreglers abzuleiten. Der Lade-Elko C2 ist in der Regel hinreichend groß genug, um die Energie von L1 aufzunehmen, ohne dass sich die Spannung auf einen kritischen Wert erhöht.

Eine ähnliche Situation kann auch entstehen, wenn der Modulstecker zu einem Zeitpunkt abgezogen wird, bei dem Motoren noch bestromt sind. Hier findet die Freilaufenergie – auch wenn T1 leitend ist – keinen Rückweg, der die Spannung klemmt. Es ist also empfehlenswert, in jeder Schaltungsoption quasi einen Notausgang für die Rückspeiseenergie vorzuhalten. Nur so lässt sich ein Design realisieren, das 0 ppm im Feld erreichen kann.

Mehr Kapazität kann Probleme bereiten

In dem bis dato beschriebenen Fall kommt es permanent zu einem Halbleiter-Stress und dann irgendwann zu einem Halbleiter-Ausfall. Dies gilt insbesondere, wenn der Fensterhebermotor im Block abschaltet, während der Schlossmotor noch bestromt ist und die Verbindung zu einem Überspannungsschutz über D1 fehlt. Aufgetreten sind derartige Ausfälle jedoch erst, als der Parallel-Kondensator im Fensterhebermotor aus EMV-Gründen in seinem Wert drastisch erhöht wurde. Da man davon ausgehen kann, dass Motorlieferant, Autohersteller und Modulzulieferer nicht immer optimal kommunizieren, sind solche Fälle vorprogrammiert. Der Schaltungsentwickler sollte sich beim Einsatz induktiver Lasten stets fragen: „Was passiert wenn...?“ und „Wohin kann der Strom fließen, wenn die Hauptwege unter bestimmten Betriebsbedingungen blockiert sind?“