Induktive Lasten schnell abschalten

Eine Bewässerung soll ein Magnetventil auf die Millisekunde genau schließen, ein Dosierventil kleine Mengen abgeben, ein Relais in einer Sicherheitsabschaltung schnell öffnen. Alle haben eine Spule, und die Spule hat Energie gespeichert. Die übliche Freilaufdiode schützt den Transistor zuverlässig, lässt den Strom aber langsam ausklingen: Das Ventil schließt verzögert, das Relais fällt träge ab, die Kontakte öffnen langsam und brennen ab.

Die Lösung ist, beim Abschalten eine höhere, aber genau begrenzte Gegenspannung zuzulassen. Hier rechnest du für ein 12-V-Magnetventil am MOSFET durch, wie viel schneller es mit einer TVS-Diode in der Freilaufschleife schließt, wohin die Energie geht und welche Sperrspannung der Transistor dann braucht.

Schaltplan

• Y1, Magnetventil: 12 V, 24 Ω Wicklungswiderstand, etwa 60 mH Induktivität (mit einem LCR-Messgerät gemessen; Datenblätter nennen sie selten).
• T1, IRLZ44N: Logic-Level-MOSFET als Low-Side-Schalter, 55 V Sperrspannung. Den Grundaufbau zeigt MOSFET als Low-Side-Schalter.
• D1, 1N4007: sorgt dafür, dass im eingeschalteten Zustand kein Strom durch D2 fließt. D2 würde in Durchlassrichtung sonst die Spule kurzschließen.
• D2, SMAJ24A: TVS-Diode mit 24 V Arbeitsspannung und 26,7 V Mindest-Durchbruchspannung. Sie bestimmt, wie hoch die Spannung an der Spule beim Abschalten steigen darf.
• R1 (220 Ω), R2 (10 kΩ): Gate-Vorwiderstand und Pull-down wie bei jedem MOSFET am Mikrocontroller.

So funktioniert die Schaltung

Solange T1 leitet, fließen 12 V / 24 Ω = 0,5 A durch die Spule. In ihrem Magnetfeld steckt die Energie

Sperrt T1, will die Spule den Strom weitertreiben (Induktion). Die Spannung am Drain steigt so lange, bis der Strom einen Weg findet. Wie schnell er dann abklingt, bestimmt allein die Spannung, die ihm entgegensteht:

Nur Freilaufdiode: Der Weg ist frei, sobald der Drain 0,8 V über +12 V liegt. Gegen den Strom stehen nur diese 0,8 V und der Spannungsfall an der Wicklung. Der Strom klingt mit der Zeitkonstante τ = L / R = 2,5 ms ab, fast wie beim Kurzschluss der Spule.

Diode mit TVS: Jetzt muss der Drain bis etwa 12 V + 0,8 V + 28 V ≈ 41 V steigen, bevor Strom fließt. Die 28 V der TVS-Diode stehen dem Strom zusätzlich entgegen und bauen das Feld in einem Bruchteil der Zeit ab. Die Energie landet zum größten Teil als Wärme in D2.

Ein Ventil fällt ab, wenn die Haltekraft nicht mehr reicht, bei vielen Typen um 20 % des Nennstroms. Dieser Punkt ist mit Freilaufdiode nach 3,5 ms erreicht, mit TVS nach 0,7 ms. Die mechanische Bewegung des Ankers kommt in beiden Fällen dazu.

Dimensionierung

1. Abfallzeit mit Freilaufdiode. Mit U_D = 0,8 V klingt der Strom ab nach

Bis 20 % von 0,5 A, also 0,1 A:

2. Abfallzeit mit TVS. Jetzt ist die Gegenspannung U_K = 0,8 V + 28 V = 28,8 V, also U_K / R = 1,2 A:

Je höher die Klemmspannung, desto schneller. Für große U_K gilt näherungsweise t ≈ L · ΔI / U_K: Der Strom fällt fast linear.

3. Sperrspannung des MOSFET. Am Drain liegt die Versorgung plus Klemmspannung. Die TVS-Diode SMAJ24A bricht bei 26,7 bis 29,5 V durch und steigt bei hohem Strom bis 38,9 V an. Bei 0,5 A liegt sie nahe am unteren Wert, bei rund 28 V. Der ungünstigste Fall mit Netzteiltoleranz:

Der IRLZ44N mit 55 V hat 12 V Reserve. Die Faustregel: Klemmspannung plus Versorgung mindestens 20 % unter der Sperrspannung des Schalters.

4. Belastung der TVS-Diode. Von den 7,5 mJ setzt D2 etwa 5,9 mJ um, der Rest geht in den Wicklungswiderstand. Die Spitzenleistung ist 28 V · 0,5 A = 14 W für unter 1 ms. Die SMAJ24A verträgt 400 W für 1 ms, also das Dreißigfache. Schaltet das Ventil einmal pro Sekunde, ist die mittlere Leistung nur 6 mW.

Bauteilliste

Varianten

Z-Diode statt TVS. Eine Z-Diode mit 24 V und 1,3 W (BZX85C24) wirkt genauso, verträgt aber weniger Pulsenergie. Für kleine Relais mit 0,2 mJ ist sie die einfachere Wahl, für Ventile und Hubmagnete die TVS-Diode.

Widerstand statt Z-Diode. Ein Widerstand in Reihe zur Freilaufdiode erzeugt im ersten Moment die Gegenspannung I · R_S, etwa 0,5 A · 47 Ω = 23,5 V. Sie sinkt aber mit dem Strom, das Abklingen bleibt exponentiell mit τ = L / (R + R_S) = 0,85 ms. Billig, aber langsamer als die Klemmung und stromabhängig.

Aktive Klemmung. Eine Z-Diode vom Drain zum Gate (in Reihe mit einer Diode, die im Normalbetrieb sperrt) schaltet den MOSFET wieder leicht ein, sobald der Drain die Z-Spannung erreicht. Dann verheizt der MOSFET selbst die Energie, an einer gut definierten Spannung. Das spart die Freilaufbauteile, belastet aber den Transistor; Automobil-Treiber wie High-Side-Schalter mit integrierter Klemmung arbeiten so.

Lawinenfester MOSFET ohne Beschaltung. Ohne jede Schutzbeschaltung steigt die Spannung, bis der MOSFET im Lawinendurchbruch leitet. Viele Typen haben dafür einen Datenblattwert für die Einzelpuls-Energie. Auf Dauer und bei warmen Bauteilen ist das ein Glücksspiel; plane immer eine Klemmung ein.

Schnell einschalten. Auch das Anziehen lässt sich beschleunigen: mit einer höheren Versorgung, etwa 24 V für ein 12-V-Ventil, und einer Stromregelung per PWM, die nach dem Anziehen auf den Haltestrom zurückgeht. Wie PWM an einer Spule arbeitet, zeigt Motordrehzahl per PWM.

Wechselspannungsspulen. Hier geht keine Freilaufdiode. Ein Varistor oder ein RC-Snubber über der Spule begrenzt die Spannung.

Für ein Relais am Kleinsignaltransistor gilt dasselbe Prinzip im Kleinen, siehe Relais am Arduino ansteuern und NPN-Low-Side-Schalter.

Typische Fehler

• Ventil bleibt dauernd an: D1 fehlt oder ist verdreht. Dann leitet D2 in Durchlassrichtung und schließt die Spule kurz; im schlimmsten Fall brennt D2 durch.
• MOSFET stirbt nach einigen Tagen: Klemmspannung plus Versorgung zu nah an der Sperrspannung, oder die TVS-Diode ist zu klein für die Energie. Am Oszilloskop mit Tastkopf 10:1 am Drain siehst du die Spitze.
• Ventil schließt trotz TVS langsam: Die Mechanik ist der begrenzende Faktor, oder ein Kondensator parallel zur Spule hält den Strom fest.
• Störungen beim Abschalten: Die schnelle Spannungsflanke koppelt in benachbarte Leitungen ein. Leitungen zum Ventil verdrillen, Freilaufbauteile direkt am Ventil oder auf der Platine nahe am MOSFET (EMV).
• Abfallzeit nicht nachgerechnet: Die Induktivität im eingezogenen Zustand ist größer als im abgefallenen. Miss im Zweifel die Zeit mit dem Oszilloskop statt sie nur zu rechnen.

Selbsttest