Relaisspule und Freilaufdiode
Die Spule läuft nach dem Abschalten weiter
Ein Relais bewegt Schaltkontakte mit einer magnetischen Spule. Eine Freilaufdiode gibt dem Spulenstrom nach dem Öffnen des Steuerschalters einen Weg. Beobachte, wie die Magnetfeldenergie abnimmt statt sofort zu verschwinden.
EXPERIMENTIERTISCH
Ändere die Schaltungseinstellungen, sage die Messwerte voraus und prüfe eine Aufgabe. Dies sind Lernmodelle; die Annahmen werden in jeder Lektion erklärt.
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Warum es funktioniert
Eingeschwungene Spule als Widerstand R und Induktivität L. Abschalten wählt eine Probe des Abfalls durch eine stets vorhandene ideale 0.7-V-Diode; das Labor bleibt eingeschaltet. Ungeschützter Betrieb, Kontaktbewegung, Prellen und echte Abfallzeit werden nicht simuliert.
Vs ist die Spulenversorgung, R Wicklungswiderstand, L Induktivität, I Spulenstrom und t Zeit nach dem Öffnen. Vsw ist die Spannung am Schalterknoten gegen 0 V; D bezeichnet die Diode. mH ist ein Tausendstel Henry, ms ein Tausendstel Sekunde und µJ ein Millionstel Joule Energie. Vor dem Abschalten gilt I0 = Vs/R. Die Formel nutzt exp für exponentiellen Abfall und max gegen negativen Strom. Solange Strom fließt gilt Vsw = Vs + 0.7 V; bei null gilt Vsw = Vs.
Schwierigkeit
Aufbauen · Aufbauen
Schalte mit Versorgung 5 V, Wicklungswiderstand 100 Ω und Induktivität 100 mH ein. Lass die Spule erregt: Lies 50 mA und 125 µJ ab.
Brauchst du einen Tipp?
Vs = 5 V; R = 100 Ω; L = 100 mH → I = 50 mA; E = 125 µJ
Erforschen · Die Grenze untersuchen
Schalte bei denselben 5 V, 100 Ω und 100 mH die Spule ab und betrachte 1 ms danach. Lies ungefähr 13.969 mA und Schalterknotenspannung 5.7 V ab.
Brauchst du einen Tipp?
Vs = 5 V; R = 100 Ω; L = 100 mH; t = 1 ms → I ≈ 13.969 mA; Vsw = 5.7 V
Selbst lösen · Aufgabe lösen
Behalte 5 V, 100 Ω und 100 mH; betrachte die abgeschaltete Spule bei 3 ms. Erreiche Strom null und gespeicherte Energie null.
Brauchst du einen Tipp?
Vs = 5 V; R = 100 Ω; L = 100 mH; t = 3 ms → I = 0 mA; E = 0 µJ
Zusatzwissen und Schaltungsrezepte
Die Spule läuft nach dem Abschalten weiter
Der Schalter öffnet, doch der Strom kann nicht sofort aufhören. Das Magnetfeld gibt Energie ab und treibt Strom durch eine neue Schleife: Wicklung und Diode. Die Diodenrichtung sperrt normalen Versorgungsstrom und ermöglicht den Strom während des Abfalls.
I0 = Vs/R; I(t) = max((I0 + 0.7/R) × exp(−Rt/L) − 0.7/R, 0); E = ½LI²
Die anfängliche Energie E = ½LI² wird in Wicklung und Diode umgesetzt. Der feste Diodenabfall fügt eine dem Strom entgegenwirkende Spannung hinzu. Das Modell beendet den Abfall bei Strom null.
Ein nützliches Muster
Bei 5 V, 100 Ω und 100 mH erreicht der Strom nach etwa 2.097 ms null. Der feste 0.7-V-Diodenabfall ergibt eine endliche Zeit; eine reine Exponentialkurve würde sich null endlos annähern.
Außerhalb des Modells
Der Freilaufpfad mit niedriger Spannung begrenzt die Belastung, hält aber den Strom am Fließen. Echte Kontakte können später abfallen als mit höherer Spannungsbegrenzung; dieses elektrische Modell berechnet ihre Zeit nicht.
Eine typische Falle vermeiden
Das Abschalten beginnt mit vorher eingeschwungenem Strom, nicht nach einer kurzen Einschaltzeit. Berechneter Strom null sagt nicht, wann echte Kontakte bewegt wurden.
Nur die Induktivität verdoppelt sich; Versorgung, Widerstand und Probenzeit 1 ms bleiben gleich. Der verbleibende Spulenstrom…
- ist größer
- ist gleich
- wird sofort null
Weiterlesen
Der Anfangsstrom Vs/R bleibt gleich, doch größere Induktivität verlangsamt den Abfall. Zum selben Zeitpunkt bleibt mehr Strom.
Aufbauen
Nutze 5 V, 100 Ω und 100 mH mit erregter Spule. Die konstanten 50 mA speichern 125 µJ; der geschlossene ideale Schalter liegt bei 0 V.
I = 50 mA; Vsw = 0 V; E = 125 µJ
Die Grenze untersuchen
Behalte diese Werte, schalte die Spule ab und wähle 1 ms. Lies ungefähr 13.969 mA, 5.7 V am Knoten und verbleibende Energie 9.757 µJ ab.
I ≈ 13.969 mA; Vsw = 5.7 V; E ≈ 9.757 µJ
Eine Größe ändern
Vergleiche bei 5 V und 100 Ω die Werte 100 mH und 200 mH nach 1 ms. Der Anfangsstrom bleibt gleich, doch größere Induktivität speichert mehr Energie und erhält mehr Strom.