Relais- und Magnetspulen-Treiberschaltung verdoppelt die Versorgungsspannung, um Dauerstrom zu sparen

Eine allgemein anerkannte Tatsache über Relais und Magnetspulen ist, dass nach dem Ansteuern in den aktivierten Zustand nur die halbe Spulenspannung und damit nur ein Viertel der Spulenleistung erforderlich ist, um diesen zuverlässig aufrechtzuerhalten. Folglich verschwendet jeder Magnetspulen- oder Relaistreiber, der kontinuierlich die volle anfängliche Betätigungsspannung anwendet, um den Zustand lediglich aufrechtzuerhalten, viermal so viel Energie, wie für die Aufgabe erforderlich wäre.

Die einfachste und kostengünstigste (Teil-)Lösung dieses Problems ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Einfache Treiberschaltung, bei der C1 betätigt wird, R1 die Stromhalbierung aufrechterhält und C1 sich dann während Toff über R1 entlädt.

Doch wie das bei „einfach und günstig“ oft der Fall ist, bringt die Lösung in Abbildung 1 einige Kosten und Komplikationen mit sich.

Während R1 den Haltestrom erfolgreich halbiert, verbraucht er dabei genauso viel Leistung wie die Spule. Folglich beträgt die gesamte Halteleistung ? statt ? der Betätigungsleistung, sodass tatsächlich nur die Hälfte der theoretischen Energieeinsparungen realisiert wird.

Wenn der Treiber ausgeschaltet wird, muss vor dem nächsten Betätigungsimpuls eine lange Wiederherstellungsverzögerung eingelegt werden, damit C1 genügend Zeit hat, sich über R1 zu entladen. Andernfalls hat der nächste Betätigungsimpuls eine unzureichende Amplitude und kann fehlschlagen. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass sich C1 während der Betätigung über die Parallelschaltung von R1 und Rm auflädt, während Toff sich jedoch nur über R1 entlädt. Dadurch dauert die Wiederherstellung doppelt so lange wie die Betätigung.

Abbildung 2 zeigt eine leistungsstärkere, wenn auch weniger einfache und kostengünstige Lösung, die Gegenstand dieser Designidee ist.

Abbildung 2: Q1 und Q2 arbeiten mit C zusammen, um V(L) für die Betätigung zu verdoppeln, Q2 und D2 halten die Spannung aufrecht, dann entlädt Q3 C schnell über R, um sich schnell für den nächsten Zyklus zu erholen.

Die Betätigung beginnt mit einem positiven Impuls am Eingang. Dadurch wird Q1 eingeschaltet, wodurch das untere Ende der Spule auf -V(L) gezogen wird. Q2 schaltet ein, wodurch das obere Ende der Spule auf +V(L) gezogen wird. Dadurch liegen 2V(L) an der Spule an, was eine zuverlässige Betätigung gewährleistet. Nach Abschluss der C-Ladung übernimmt die Schottky-Diode D2 die Leitung von Q1. Dadurch wird die Haltespannung auf ?, den Betätigungswert, reduziert und die Halteleistung auf ? gesenkt.

Am Ende des Zyklus, wenn das eingehende Signal zu V(0) zurückkehrt, schaltet sich Q3 ein und leitet eine schnelle Entladung von C durch D2 und R ein. Tatsächlich kann die Wiederherstellung problemlos so gestaltet werden, dass sie in kürzerer Zeit abgeschlossen ist, als das Relais oder der Magnet zum Abfallen benötigt. Dann ist keine explizite Verzögerung zwischen den Zyklen erforderlich und die Wiederherstellungszeit beträgt daher praktisch Null!

Aber was passiert, wenn selbst eine Verdoppelung der V(L)-Logikschiene nicht ausreicht, um genügend Spannung zum Antrieb der Spule zu erzeugen, und eine höhere Versorgungsschiene nötig ist?

Abbildung 3 behebt dieses Problem mit einigen Tricks, die in einer früheren Design-Idee beschrieben wurden: Ansteuern von CMOS-Totempfählen mit Logiksignalen, AC-Kopplung und geerdeten Gates.

Abbildung 3: Pegelverschiebung Q4, R1 und R2 werden hinzugefügt, um (++)V > V(L) zu ermöglichen.