Relais-Tipp Ein- und Zweispulen-Varianten von bistabilen Relais ansteuern

Autor / Redakteur: Dr. Dietmar Tschierse * / Kristin Rinortner

Beim Einsatz von bistabilen Relais ergeben sich gegenüber monostabilen Relais Vorteile hinsichtlich Temperaturen, Abmessungen und Dauerstromtragfähigkeit. Wir vergleichen die beiden Varianten.

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Bild 1: Funktionsprinzip bistabiler Relais
Bild 1: Funktionsprinzip bistabiler Relais
(Bild: TE Connectivity)

Bistabile Relais, auch als „Latching“ Relais bezeichnet, behalten nach Unterbrechung des Erregerstromkreises die Schaltstellung bei, die nach der letzten Erregung vorhanden war.

Gegenüber der Dauererregung von monostabilen Relais wird für die Änderung des Schaltzustandes lediglich ein kurzer (z.B. 10 bis100 ms), definierter Spannungsimpuls benötigt. Danach wird die jeweilige Schaltposition im Relais durch einen in den Magnetkreis des Relais integrierten Dauermagneten oder Remanenzkern gehalten – Set Position („Setzen“, Bild 1).

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Bei der sogenannten Reset-Position („Rücksetzen“, Bild 1) wird bei nicht geschlossenem Magnetkreis wie auch bei monostabilen Relais die Schaltposition durch die Kraft der Feder gehalten. In speziellen Systemen wird auch die Rücksetzposition von Dauermagneten gehalten z.B. Wipp-Anker-, H-Anker Relais.

Die Wirkungsweise beruht auf einer Überlagerung des Steuerflusses der Spule mit dem Dauerfluss eines Magneten, der im Eisenkreis des Relais integriert ist. Diese sind verantwortlich dafür, dass polarisierte Relaissysteme bei gleicher mechanischer Arbeit sensitiver als neutrale Systeme sind.

Bistabile Relais gibt es als Ein- und Zweispulen-Varianten. Bei der Einspulen- Variante erfolgt die Änderung der Schaltrichtung mittels Stromumkehr. Zur Ansteuerung sind daher jeweils zwei „Pull/Push-Ausgangsstufen“ also in Summe vier Transistoren nötig (Bild 2).

Dagegen sind bei der Zweispulen-Variante (Bild 3) nur zwei Transistoren nötig. Es werden hier zur Änderung des Schaltzustandes nur monopolare Steuerimpulse benötigt; dies wird durch die zweite Wicklung mit umgekehrtem Wicklungssinn im Relais erreicht.

In vielen handelsüblichen Treiberbausteinen für die Ansteuerung von bistabilen Relais sind zum Schutz der elektronischen Bauteile vor den induktiven Spannungspulsen der Relaisspulen bereits Freilaufdioden integriert. Da beide Schaltvorgänge, Set und Reset, durch den Spannungsanstieg der Spule ausgelöst werden, kann auf den Einsatz von Z-Dioden verzichtet werden, die bei Schutzbeschaltungen monostabiler Relais die Rückfallzeit verkürzen und damit die Lebensdauer bei DC-Lasten verlängern sollen (siehe Relais-Tipp in ELEKTRONIKPRAXIS 18, 2013).

Ein wichtiger zu berücksichtigender Aspekt für 12-V-Bordnetze im Automobil ist, dass bei Überspannungen nach ISO 16750-2 funktionaler Status C (z.B. >16 V) die bistabilen Relais zum ungewollten Öffnen bzw. Schließen neigen können. Je nach konstruktiver Auslegung des Relais, kann bei einer zu hohen Rücksetzspannung der endgültige Schaltzustand nicht sofort erreicht werden. Falls dies im Datenblatt nicht eindeutig erwähnt wird, empfehlen wir die Kontaktaufnahme mit dem Relaislieferanten.

Bistabile Relais haben durch das überlagerte Magnetfeld nicht die gleichen Ankerkräfte wie die monostabilen Relais. Deshalb sind sie im Allgemeinen auch nicht so resistent gegenüber Vibrations-und Schockbelastungen. Einige Relais können ihre Ankerposition während des Transportes ändern. Deshalb wird empfohlen, die Relais vor der elektrischen Vermessung oder auch vor dem Löten auf die Rücksetzposition (Reset) zu bringen. Dies könnte z.B. auch durch einen genügend starken Tafelmagneten, den man über das Relais streift, erreicht werden. Das hierbei eingekoppelte Streufeld ist in der Lage das Relais in die Rücksetzposition zu bringen.

Beim Einsatz von bistabilen, gegenüber monostabilen Relais, ergeben sich für den Anwender folgende Vorteile:

  • Minimierung der Verlustleistung des Relais und dadurch Reduzierung der mittleren Temperatur seines Moduls.
  • Bei gefordertem Dauerstrom können höhere Umgebungstemperaturen zugelassen werden.
  • Höhere Dauerstromtragfähigkeit bei vorgegebener Umgebungstemperatur können erlaubt werden oder
  • eine Baugrößenverminderung ohne Leistungsfähigkeitseinbuße kann verwirklicht werden.

* * Dr. Dietmar Tschierse arbeitet als Senior Application Engineer bei TE Connectivity in Berlin.

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