Freilaufdiode

Ein Mikrocontroller schaltet über einen Transistor ein 12-V-Relais. Alles funktioniert, ein paar Tage lang. Dann bleibt das Relais plötzlich angezogen oder zieht gar nicht mehr an – der Transistor ist durchgeschlagen. Die Ursache ist fast immer dieselbe: Es fehlt eine kleine Diode parallel zur Relaisspule. Diese Freilaufdiode ist kein besonderer Diodentyp, sondern eine Schaltungsaufgabe, und sie gehört an jede Spule, die ein Halbleiter abschaltet.

Warum eine Spule beim Abschalten gefährlich wird

Fließt Strom durch eine Spule, speichert sie Energie im Magnetfeld. Eine Spule wehrt sich gegen jede Stromänderung: Sperrt der Transistor schlagartig, versucht sie, den Strom weiterfließen zu lassen, und erzeugt dafür eine Selbstinduktionsspannung, die so groß wird, wie nötig ist. Ohne Abflussweg sind das Hunderte Volt – genug, um die Kollektor-Emitter-Strecke eines Kleinsignaltransistors zu durchbrechen. Wie das physikalisch zustande kommt, erklären Induktion und Spule an Gleichspannung.

Gespeichert ist dabei die Energie

Sie ist klein, aber sie fließt in Mikrosekunden in eine winzige Sperrschicht. Oft stirbt der Transistor nicht beim ersten Mal, sondern wird nach und nach geschädigt – die Stromverstärkung sinkt, Leckströme steigen, bis die Schaltung irgendwann sporadisch versagt.

Funktionsweise

Die Freilaufdiode liegt parallel zur Spule, und zwar in Sperrrichtung zur Versorgung: Kathode zum Pluspol, Anode zum Transistor. Im eingeschalteten Zustand sperrt sie und hat keine Wirkung.

Schaltet der Transistor ab, kehrt sich die Spannung an der Spule um: Ihr unteres Ende wird positiver als das obere. Jetzt leitet die Diode und übernimmt den Spulenstrom, der im Kreis aus Spule und Diode weiterfließt – daher der Name „Freilauf“. Der Strom klingt ab, während die Energie im Drahtwiderstand der Wicklung und in der Diode in Wärme übergeht. Am Kollektor liegt dabei höchstens die Versorgungsspannung plus die Durchlassspannung der Diode.

Schaltzeichen und Kennzeichnung

Im Schaltplan ist die Freilaufdiode eine gewöhnliche Diode: Dreieck und Kathodenstrich. Erkennbar ist ihre Aufgabe nur an der Lage parallel zur Spule. Auf der Platine sitzt sie meist direkt neben dem Relais; der Kathodenring zeigt zur Versorgungsseite (siehe Kennzeichnung von Dioden).

Dimensionierung

Drei Werte zählen:

Für Relais, Ventile und Hubmagnete, die nur gelegentlich schalten, ist der Strom nach wenigen Millisekunden abgeklungen. Hier reicht eine 1N4148 bis zu Spulenströmen von einigen hundert Milliampere (I_FRM = 500 mA), darüber eine 1N4007 oder ihre SMD-Version.

Den Basiswiderstand für den Transistor, der das Relais schaltet, berechnest du mit dem Rechner Transistor als Schalter.

Schneller abfallen: Varianten der Schutzbeschaltung

Die einfache Diode hat einen Nachteil: Weil sie die Spulenspannung auf 0,7 V begrenzt, baut sich das Magnetfeld nur langsam ab. Das Relais fällt verzögert ab, und die Kontakte öffnen langsamer – bei großen Lasten verlängert das den Abrissfunken und verkürzt die Lebensdauer der Kontakte. Wer schneller abschalten will, lässt eine höhere, aber begrenzte Spannung zu:

• Diode + Z-Diode: Die Spulenspannung wird auf U_Z + 0,7 V begrenzt. Der Strom sinkt deutlich schneller, weil eine viel höhere Spannung gegen ihn arbeitet.
• Diode + Widerstand: Im ersten Moment entsteht I · R als zusätzliche Spannung. Einfach, aber die Spannung hängt vom Strom ab.
• TVS-Diode oder Varistor direkt über dem Schalter: begrenzt ebenfalls auf eine höhere Spannung und funktioniert auch an Wechselspannungsspulen, an denen eine einfache Freilaufdiode nicht möglich ist.

Freilauf bei PWM-Ansteuerung

Bei einem Gleichstrommotor oder einer Magnetspule, die per PWM mit einigen Kilohertz angesteuert wird, sieht die Lage anders aus. In jeder Ausschaltphase fließt der Laststrom durch die Diode, und das tausendfach pro Sekunde. Zwei Dinge werden wichtig:

1. Dauerstrom: Die Diode führt im Mittel den Laststrom mal dem Anteil der Ausschaltzeit.
2. Sperrverzögerung: Schaltet der Transistor wieder ein, muss die Diode schlagartig sperren. Eine langsame Gleichrichterdiode leitet dann kurz rückwärts – das wirkt wie ein Kurzschluss über den Transistor, erzeugt Verluste und Störungen. Deshalb gehört hier eine Schottky-Diode oder eine schnelle Diode hin.

Im Schaltregler arbeitet dieselbe Diode als Teil des Energiepfads; in modernen Reglern übernimmt diese Aufgabe meist ein zweiter MOSFET.

Auswahl und Praxistipps

• Direkt an die Spule. Die Diode gehört so nah wie möglich an die Last, damit die Schleife, in der der Abschaltstrom fließt, klein bleibt. Bei Lasten an langen Leitungen sitzt sie am besten an den Anschlussklemmen.
• Treiber-ICs nutzen. Darlington-Arrays wie der ULN2003 haben die Freilaufdioden eingebaut. Sie wirken aber nur, wenn der gemeinsame Anschluss COM mit der Versorgung der Spulen verbunden ist – ein häufig vergessener Pin.
• Body-Diode ist kein Ersatz. Ein MOSFET als Low-Side-Schalter hat eine Diode zwischen Drain und Source, also parallel zum Schalter, nicht zur Spule. Sie hilft beim Abschalten der Spule nicht; einige MOSFETs vertragen die Abschaltenergie zwar im Lawinendurchbruch, darauf solltest du dich aber nicht verlassen.
• Wechselspannung: An Spulen für Wechselspannung funktioniert eine einfache Freilaufdiode nicht – dort nimmst du ein RC-Glied, einen Varistor oder eine bidirektionale TVS-Diode.

Häufige Fehler:

• Diode falsch herum. Sie schließt beim Einschalten die Versorgung über den Transistor kurz – der Transistor oder die Diode raucht ab.
• Diode an der falschen Stelle. Eine Diode irgendwo auf der Platine statt direkt an der Spule lässt die Leitungsinduktivität ungeschützt.
• 1N4007 in der PWM-Brücke. Langsame Dioden erzeugen bei jedem Einschalten Stromspitzen.
• Abfallverzögerung übersehen. In Sicherheitsabschaltungen, bei denen ein Relais schnell öffnen muss, ist eine reine Diode oft zu langsam.

Selbsttest