Relais-Tipp Die Induktivität von Relaisspulen richtig messen

Autor / Redakteur: Olaf Lorenz * / Kristin Rinortner

Durch die Nichtlinearität der Induktivität von Relaisspulen ergeben sich je nach Messmethode und Messparameter unterschiedliche Werte. Die Nichtlinearitäten werden durch Sättigungseffekte und den beweglichen Anker verursacht, welcher je nach Ankerposition den magnetischen Widerstand beeinflusst.

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Gleichung 1
Gleichung 1

Durch die Nichtlinearität der Induktivität von Relaisspulen ergeben sich je nach Messmethode und Messparameter unterschiedliche Werte. Die Nichtlinearitäten werden durch Sättigungseffekte und den beweglichen Anker verursacht, welcher je nach Ankerposition den magnetischen Widerstand beeinflusst.

Es existieren zahlreiche Methoden, um den Induktivitätswert einer Spule zu ermitteln. Die drei gebräuchlichsten Methoden werden nachfolgend erläutert.

1. Wechselspannungsbrücke / LCR-Meter: Digitale LCR-Messgeräte messen die Impedanz und berechnen daraus den Induktivitätswert L. Die Messung wird mit Frequenzen von üblicherweise 100 Hz bis 100 kHz durchgeführt. Da die meisten Relaisspulen mit Gleichspannung erregt werden, hat dieser Messwert in der Regel keinen praktischen Nutzen.

2. Sprungantwort / Induktiver Stromanstieg: Legt man an eine induktive Last einen Spannungssprung (0 V auf U), ergibt sich ein zeitlicher Stromverlauf gemäß Gleichung 1.

Gleichung 1
Gleichung 1

Darin sind τ = L/R und i(τ) = U/R · 0,632. D.h. mit der Zeit τ (63,2% – Wert des Stromes) und dem ohmschen Widerstand R kann die Induktivität L berechnet werden.

Dieses ist allerdings nur gültig, wenn L linear ist. Bei Relais muss dazu der Anker mechanisch blockiert werden und die Erregung der Spule im ungesättigten Bereich bleiben. Der Sättigungsbereich beginnt bei geschlossenem Anker bei etwa 50% der Nennspannung. Mit dieser Methode lässt sich der Maximalwert der Induktivität bestimmen.

Für die Dimensionierung der Ansteuerseite von Relaisschaltungen ist dieser Maximalwert nur bedingt geeignet, da der Induktivitätswert bei Nennspannung durch die Sättigungseffekte deutlich niedriger ist.

3. Abschaltenergie: Die magnetische Energie einer Spule beträgt W= 0,5 LI2. Beim Abschalten der Spule wird die magnetische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Mit Hilfe eines Entladewiderstandes parallel zur Spule kann der Stromverlauf beim Abschalten gemessen werden (Bild 1).

In Bild 1 bezeichnen Ls die Spuleninduktivität, Rs den Spulenwiderstand, Rp den Entladewiderstand und ie(t) den Entladestrom.

Die Abschaltenergie errechnet sich aus der Leistung von Spulen- und Entladewiderstand mit Gleichung 2.

Gleichung 2
Gleichung 2
Für die Dimensionierung der Ansteuerseite von Relaisschaltungen stellt die Abschaltenergie in den meisten Fällen eine brauchbare Information dar. Aus der Energie und dem Spulenstrom im Moment des Abschaltens kann auch die resultierende Induktivität L berechnet werden.

Die Angabe der Spuleninduktivität auf einem Datenblatt hat ohne die genaue Spezifikation der Messmethode und der Messparameter keinen Nutzen für den Anwender. Es besteht vielmehr die Gefahr, dass Schaltungsentwickler mit unpassenden Werten rechnen.

Die Angabe der Abschaltenergie bei Nennspannung ist in der Regel am nützlichsten. Steckrelais haben oft integrierte Parallelwiderstände, die die Spulenabschaltenergie aufnehmen. Hier ist die Angabe der maximalen Spannungsspitze beim Abschalten sinnvoller.

* Olaf Lorenz arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Connectivity in Berlin.

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