Freilaufdiode bei Relais, wenn Z-Diode

[Achim H]

Ich plane gerade einen Einschaltstrombegrenzer (brauchen tue ich allerdings mehrere). Das Relais soll über ein Kondensatornetzteil angetrieben werden. Um die Spannung auf 24V zu halten, ist eine Z-Diode eingeplant (siehe Bild). Brauche ich hier trotzdem noch eine Freilaufdiode für das Relais?

Eingebaut wird die Schaltung in ein Gehäuse mit angespritzer Wanne: Muge 43 (baugleich mit Strapubox 521).
Die Temp-Sicherung ist nur zum Schutz der Schaltung bei übermäßiger Erwärmung.

einschaltstrombegrenzer_schem.png

Edit:
Mit Ausnahme des Elko (4,7µ/63V) bekomme ich alle Bauteile bei Elpro.

Edit 05.01.2016: überarbeitetes Schaltbild.

[Beatbuzzer]

. Brauche ich hier trotzdem noch eine Freilaufdiode für das Relais?

In diesem Falle kann eigentlich gar keine hohe Induktionsspannung entstehen, weil durch den parallelen Kondensator nur eine langsame Stromänderung durch die Spule stattfindet. Weiterhin hat die Z-Diode auch in umgekehrter Polung eine Flussspannung (0,7V), was ebenfalls eine hohe Induktionsspannung verhindert.

[Achim H]

Na fein, dann kann ich das so lassen.

einschaltstrombegrenzer.png

Die Netzspannung-führenden Leiterbahnen sind 1,778mm breit (das reicht bei einem Cu von 35µm und bei Erwärmung um +25°C für Ströme bis zu 6A). Effektiv könnten Netzgeräte bis 1380 Watt angeschlossen werden, aber 400 Watt dürften für die meisten Anwendungen in einem Haushalt dicke ausreichen. Daher auch nur eine 2A Sicherung. Inklusive Überspannungsschutz und Übertemperaturschutz.

Bauteilekosten inkl. Platine (mit Lötstopplack), Versandkosten, Mehrwertsteuer: 11,25 EUR/Stück.
Fehlt nur noch ein Gehäuse.

[Achim H]

Die Vollpfosten sterben nicht aus --> siehe Achim.

Heute kamen endlich meine Platinen (erst letzten Monat bestellt).
Und was macht man als erstes: ausprobieren, ob diese auch ins Gehäuse (Strapubox 521 c/o Muge 43) passen.

Die Platine passt, die Löcher zum Anschrauben der Platine habe ich natürlich falsch (1mm vertikal versetzt) gesetzt.
Was nicht passt, wird passend gemacht. Da kommen Langlöcher rein.

Viel schlimmer ist aber, dass das Relais zu hoch ist und ich den Deckel nicht drauf bekomme.

Das Gehäuse hat eine Innenhöhe von 19,5mm,
das Relais ist 15,7mm hoch und die Platine liegt auf 3mm hohen Sockeln.
15,7mm + 3mm = 18,7mm.

Das Dumme an der Sache: ich habe vergessen, die Dicke der Platine hinzu zu rechnen.
18,7mm + 1,6mm = 20,3mm und das ist höher als 19,5mm.

Was tun?

[Edit]

[Beatbuzzer]

Das Gehäuse hat eine Innenhöhe von 19,5mm,
das Relais ist 15,7mm hoch und die Platine liegt auf 3mm hohen Sockeln.

Kannst Du hier nichts wegschnitzen? Du brauchst ja nur knapp 1mm mehr Höhe und die Lötstellen unter der Platine sind ja niemals 3mm hoch. Wenn Du die Sockel also auf 2mm kürzt, müsste es doch schon gehen.

[Achim H]

Hat geklappt.
Habe die 3mm hohen Sockel auf die Dicke einer Platine gekürzt. Die Schrauben durch die Platine (2,2 x 4,5mm) sind nun allerdings etwas zu lang (Unterlegscheiben in der Größe habe ich leider nicht) und müssen genauso wie die Beinchen durch die Platine etwas eingelängt werden, das ist aber das kleinere Übel.

Warum fällt mir sowas nicht ein?

[CRI 93+ / Ra 93+]

Die 4,7 µF werden nicht die gewünschte Verzögerungszeit bringen. 470µF bis 4700 µF dürften eher angebracht sein.

Außerdem sehe ich als Problem, dass das Relais nicht schlagartig schaltet. Das könnte die Kontakte möglicherweise vorschnell abnutzen, auch wenn es nur noch eine geringe Spannung kurzzuschließen hat und jedes Relais (in Grenzen) einen "mechanischen Schmitt-Trigger" beinhaltet.

Deine Schaltung benötigt ca. 1 Watt permanent --- welcher Verlust entstünde denn am unüberbrückten NTC?
Ich kann mir vorstellen, dass das auch ca. 1 Watt wären... in dem Fall wäre die Schaltung nutzlos.

Statt Kondensatzornetzteil wäre es auch möglich, das Relais mit an die Sekundärseite der KSQ anzuschließen. (wenn die Spannun ausreicht.)

[Achim H]

Das Relais ist nur zum Überbrücken des NTC da, damit dieses nicht permanent an der Netzspannung liegt und somit länger lebt.

Solange durch den NTC ein Strom fließt, so lange wäre dieser permanent heiß. Damit wäre sein Widerstand immer klein. Beim kurzzeitigen Ausschalten wäre der NTC aber noch nicht kalt genug, damit wieder der Kalt-Widerstand genutzt werden könnten (die typische Abkühlzeit an Luft beträgt laut Datenblatt ca. 70 Sekunden). Infolge dessen würde der Kondensator im Eingangskreis des Schaltnetzteil doch wieder den vollen (oder einen annähernd hohen Strom) ziehen können.

Der 4,7µF Kondensator muss nur die Spannung für das Relais etwas stabilisieren. Allzugroß darf dieser aber auch nicht sein, ansonsten fällt das Relais nicht schnell genug ab. Das 24V Relais (1440 Ohm) zieht bei 16,8V bereits an und benötigt 16,7mA. Erforderlich wäre dafür ein X2-Kondensator mit 232nF (berechnet für 24V und 16,7mA) . Der nächst größere hat schon 330nF.

Das Relais kann dauerhaft 16A schalten und verträgt Einschaltstoßströme bis max. 80A.

Edit:
Spannung gegen Strom getauscht. Siehe Hinweis von CRI93+/Ra93+

[CRI 93+ / Ra 93+]

OK, mag sein, dass allein die mechanische Verzögerung ausreicht (wird vermutlich so sein).
Auch dass der NTC dann immer kalt startet ist eine gute Idee.

Andererseits: sind NTC denn wirklich verdächtig bei Hitze schnell zu sterben? --- Ich denke eher nicht.
Und einen gelegentlichen Hochstrom-Puls bei Wiedereinschalten mit noch warmem NTC kann man meist in Kauf nehmen.

Also ich finde schon , dass man sich den Aufwand sparen kann, wenn die Verluste am NTC im Betrieb vernachlässigbar sind. Wie gesagt: 1 Watt benötigt Deine Schaltung ja auch schon.

PS: Strom fließt, Spannung liegt an. Es fließt also ein Strom durch den NTC, keine Spannung.

[Achim H]

Zumindest werden NTC recht heiß. Laut Epcos-Datenblatt bis ca. 175°C.

An meiner Wohnzimmerlampe habe ich den NTC direkt verdrahtet (also ständig unter Strom). Einen NTC habe ich schon geschrottet (hat ca. 1,5 Jahre gehalten.). Wahrscheinlich, weil dieser permanent heiß war. Bei durchschnittlich 10 Stunden am Tag wären das gerademal 5500 Std.

Auch stört mich, dass dieses eine Bauteil so halb offen in der Gegend hängt. Die Anschlussdrähte sind aber alle isoliert.

Ich möchte demnächst noch ein paar Lampen mehr bauen. Und dort soll alles schön verpackt werden. Und zwar in Kunststoffgehäuse.
Die Gehäuse würden aber nicht allzulange halten, wenn der NTC dauerhaft 175°C heiß ist.


Nachtrag + Update vom 04.08.2016.
Update vom 10.09.2017 --> jetzt mit Gehäuse, ein paar geänderte Bauteile.

Fremdspannungsabhängiger Einschaltstrombegrenzer:

icl_12_24.png

Als Verzögerung dient die SetUp-Zeit des Netzgerätes (zum Beispiel: 500ms = 0,5 Sekunden).
Inkl. Überspannungsschutz, Übertemperaturschutz, Indikator-Led.

Bauteile:
D = UF4003 oder UF4004
F = Kleinstsicherung 2A träge/250V
FT = Temperatursicherung max. 133°C
K (12V) = Tyco/Schrack RT33L012
K (24V) = Tyco/Schrack RT33L024
LED = Low Current, Ø3mm grün
MOV = Epcos S07K275
NTC = Epcos B57236 (mind. 16R) oder Epcos B57237 (mind. 15R)
R (12V) = 5,11k
R (24V) = 11,3k
1 Prinanschlussklemme 3pol. RM 5,08mm
2 Printanschlussklemmen 2pol. RM 5,08mm
Gehäuse = Kradex Z87

Wer die Indikator Led nicht benötigt, kann diese nebst Vorwiderstand weg lassen.

Stromaufnahme:
12V (ohne Led): ca. 34mA
12V (mit Led): ca. 36mA
24V (ohne Led): ca. 17mA
24V (mit Led): ca. 19mA

Bauteilekosten inkl. Platine mit Lötstopplack + Gehäuse: ca. 7,20 EUR pro Stück bei Herstellung von 100 Stück oder mehr.
Erforderlich sind noch ein paar mechanische Komponenten: 3mm hohe Abstandsröllchen aus Polystrol, 18mm hohe Abstandsbolzen aus Polyamid, Schrauben, etc.

[Achim H]

Ich layoute gerade mal wieder (1.Entwurf) und mal wieder habe ich ein Freilaufdioden-Problem.

Gewöhnlich sollte jedes Relais eine Diode erhalten.
Wieviele Dioden braucht man aber, wenn sich die Wicklungen von 2 Relais genau gegenüber stehen und beide mit der gleichen Spannung versorgt werden?
Ich habe jetzt einfach mal nur eine eingezeichnet. Die Alternative wären 2 Dioden, die parallel geschaltet sind. Und da sehe ich keinen Sinn drin.

freilaufdiode2.png

[ustoni]

In diesem Fall ist eine Diode völlig ausreichend; es soll ja nur die Induktionsspannung beim Abschalten der Relais kurzgeschlossen werden.

Die Leitungen sollten allerdings so kurz wie irgend möglich sein. Bei Deinem Layout würde ich die Diode um 90° gegen den Uhrzeigersinn drehen und zwischen die beiden Relais setzen. Dadurch entfällt die zusätzliche Leiterbahn von der Kathode zum Plus-Anschluss der Wicklung von K1.

[Achim H]

Bei Deinem Layout würde ich die Diode um 90° gegen den Uhrzeigersinn drehen und zwischen die beiden Relais setzen.

Zwischen den Relais hatte ich die Diode vorher auch. Für den Fall, dass man die Diode mal tauschen müsste, habe ich sie dann nach vorne geholt.

die Induktionsspannung beim Abschalten der Relais

Wie hoch ist denn die Induktionsspannung beim Abschalten der Relais?
Die beiden Wicklungen benötigen 2x 12V @ 33mA.
Statt einer 1N4148 könnte ich auch eine 1N4001 einplanen, die hält mehr aus.

[ustoni]

Wie hoch ist denn die Induktionsspannung beim Abschalten der Relais?

Das hängt von vielen Faktoren ab, u.a. von der Spule selbst (hauptsächlich) und davon, wie schnell die Erregerspannung auf 0 geht. Sie liegt aber durchaus im Bereich von 100 V.

Wenn sowieso beides zur Verfügung steht, würde ich eher die 1N4001 wählen.

Die Diode solltest Du trotzdem zwischen die beiden Relais setzen. Je kürzer die Leiterbahnen, desto besser die Wirkung.
Leiterbahnen bilden bei sehr schnellen Ereignissen auch Bauteile, die Leiterbahn an der Kathode stellt in Deinem Layout eine (sehr kleine) Induktivität dar.
Wenn die beiden Relais z.B. über kurze Kabel angeschlossen wären, wäre es sinnvoll über beiden Relaisspulen eine Diode zu schalten, und zwar direkt an den Relaisanschlüssen.

[Achim H]

Wenn sowieso beides zur Verfügung steht, würde ich eher die 1N4001 wählen.

Ich bin ja noch in der Planung, da können sich die Bauteile noch ändern.
Die 1N4001 wäre gar nicht ausreichend und müsste gegen einen höheren Wert getauscht.

1N4001 (max. 50V)
1N4002 (max. 100V)
1N4003 (max. 200V)
1N4004 (max. 400V)
1N4005 (max. 600V)
1N4006 (max. 800V)
1N4007 (max. 1000V)

[ustoni]

Wenn Du die Teile ohnehin noch beschaffen musst, nimm statt der 1N400x eine UF400x:
http://www.reichelt.de/index.html?&ACTION=446&LA=446

Kostet mit 5 Cent zwar einen Cent mehr als die 1N400x, hat aber mit 50 ns ein deutlich besseres Schaltverhalten, was natürlich gerade bei dieser Anwendung Sinn macht.

[Achim H]

An diesen Typ habe ich gar nicht gedacht. Von den UF4005 (max.600V) hätte ich noch welche auf Lager, die sind aber nur 75ns schnell. Wäre aber auch kein Akt ein paar UF4003 (max. 200V) zu besorgen.

[ustoni]

Dann nimm die UF4005. Ob 50 ns oder 75 ns ist eigentlich egal.
Zum Vergleich: die 1N4004 liegt bei 30 µs.

Die angegebenen Zeiten sind die "reverse recovery time". D.h. wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird (was ja bei eingeschaltetem Relais der Fall ist) und dann plötzlich umgepolt wird (Durchlassrichtung), benötigt sie diese Zeit, um anzufangen zu leiten. Gleiches gilt beim Übergang vom leitenden zum sperrenden Zustand.
Die UF4005 sperrt also für weitere 75 ns, die 1N4004 würde für weitere 30000 ns sperren. Da kann man die 25 ns Unterschied gegenüber der UF4004 wohl verkraften.

[Achim H]

Sodele: Entwurf Nr. 3
Platine nochmals um 5mm in Länge und Breite verkleinert. Polarität zu den Relais getauscht, dadurch einfachere und kürzere Leiterbahnen.