
Dieses White Paper beschreibt die Funktionsweise von Schaltnetzteilen und traditionellen Schutzschaltern und erklärt die Technologie, die hinter den neuen elektronischen Schutzschaltern steckt. Des Weiteren wird gezeigt, wie das seit langem bekannte Problem der Standfestigkeit von Schaltnetzteile in Fertigungsanlagen damit gelöst werden kann.
In einem simplen, auf einem Transformator basierenden Netzgerät bewirkt eine Überlast einen sukzessiven Abfall der Ausgangsspannung (P=U x I). Zum Beispiel beträgt beim zweifachen Nennstrom die Ausgangsspannung nur noch die Hälfe der normalen Spannung (siehe Bild 1). Dieser Spannungsabfall kann Steuerungsbauteile, die von diesem Netzgerät versorgt werden, zum Abschalten bringen, weil diese typischerweise mindestens 18 V brauchen, um fehlerfrei funktionieren zu können.
Schaltnetzteile ihrerseits wurden so entwickelt, dass sie schnell abschalten, sobald der Laststrom 110 % vom Nennstrom überschreitet.
Diese Eigenschaft haben Schaltnetzteilehersteller in ihre Geräte eingebaut, um diese gegen Überlasten zu schützen. Die Lastkennlinie von einem Schaltnetzteil sieht deswegen ganz anders aus (siehe Bild 2). Die Schutzschaltung die normalerweise in einem solchen Netzteil eingebaut ist, besteht aus einem schnell reagierenden elektronischen Schalter. Die meisten versorgten Lasten zeigen ein kapazitives Verhalten beim Einschalten der Spannung. Der anstehende Anlaufstrom kann leicht den Wert des Nennstromes des Netzteils überschreiten und diese zum Abschalten zwingen. Schaltnetzteilehersteller haben ihre Geräte so entwickelt dass dies nicht passiert. Falls die Überlast weiter ansteht, versucht das Netzteil wiederholt einen höheren Strom anzubieten und schaltet danach sofort ab – dies ist als “hiccup” Betriebsart bekannt.
Wenn ein Netzteil mehrere Lasten mit Strom versorgt, bringt eine Überlastung die nicht sofort entfernt wird, an nur einer der Lasten das Netzteil zum Abschalten oder erzeugt ein Spannungsabfall bei allen angeschlossenen Lasten. Um die einzelnen Lasten des Netzteils separat zu schützen, setzen die Entwickler des Gerätes oft einen thermischen oder thermisch-magnetischen Schutzschalter zwischen jeder Last und der Stromversorgung.
Schauen wir uns einmal die Eigenschaften eines typischen 10 A / DC 24 V transformatorbasiertes Netzgerät an. Der Einfachheit halber nehmen wir an dass vier Lasten mit je 2 A daran angeschlossen sind, was eine Grundlast von 8 A darstellt. Jede Last wird durch einen Schutzschalter mit 2 A Nennstrom geschützt. Falls eine dieser Lasten ein Überlaststrom von 12 A zieht, könnte ein 2 A thermisch-magnetischer Schutzschalter nicht schnell genug auslösen um den Spannungsabfall der Versorgungsspannung zu verhindern. Bei einer Überlast von sechsfachem Nennstrom kann ein thermisch-magnetischer Schutzschalter mit mittlerer Kennlinie bis zu 5 Sekunden brauchen um abzuschalten (siehe Bild 3).
In diesem Beispiel beträgt der gesamte Laststrom des Netzteils jetzt 18 A (12 A + 2 A + 2 A + 2 A). Das heißt, dass das 10 A Netzteil in der Lage sein muss, 5 Sekunden lang 18 A Laststrom zu liefern bevor ein Standard thermisch-magnetischer Schutzschalter auslöst. Wie in Bild 1 dargestellt, wird ein Transformator basiertes Netzgerät in der Lage sein, einen solchen Strom zu liefern – allerdings nur bei reduzierter Versorgungsspannung. Sobald der Schutzschalter ausgelöst hat, geht die Versorgungsspannung wieder auf 24 V hoch und versorgt weiter die restlichen Lasten: Der ausgelöste Schutzschalter und die fehlerhafte Last werden durch die Auslösestellung des Schutzschalters identifiziert. Sollte zwischenzeitlich die Versorgungsspannung unter 18 V gegangen sein, blieben alle anderen Lasten 5 Sekunden lang unterversorgt oder abgeschaltet bis der Schutzschalter ausgelöst hat.
Schauen wir uns das gleiche Szenario noch einmal an, aber betrachten wir nun ein Schaltnetzteil, an dem alle Lasten über thermisch-magnetische Schutzschalter angeschlossen sind. Wie bereits oben beschrieben beträgt der maximale Strom, den ein 10 A Schaltnetzteil liefern kann 11 A (110 % vom Nennstrom). Deswegen, wenn durch eine Überlast an einer der Lasten den Laststrom des Netzteiles auf über 11 A steigt, bringt dies das Netzteil zum Abschalten oder zwingt es in die hiccup Betriebsart.
Im gleichen Beispiel wie oben beschrieben, kann der Schutzschalter nicht auslösen, die Versorgungsspannung geht auf Null zurück und es gibt keine einfache Möglichkeiten für den Ingenieur den fehlerhafte Lastkreis zu identifizieren.
Ein möglicher Ausweg wäre einen schnell auslösenden Schutzschalter zu benützen. In anderen Worten – einen Schutzschalter zu benutzen, der bereits bei 2-mal anstatt erst bei 6-mal Nennstrom auslöst (siehe Bild 4). Der Nachteil dieser Überlegung ist, dass manche Lasten beim Anschalten hohe, kurzeitige Anlaufströme erzeugen. Wenn diese Anlaufströme nur ein paar Millisekunden andauern, können diese einen schnell auslösenden Schutzschalter sofort bei 2-mal Nennstrom zum Ausschalten bringen. Somit ist es nicht mehr möglich, das Gerät fehlerlos einzuschalten.
Einerseits, wenn ein thermisch-magnetischer Schutzschalter mit mittlere Kennlinie eingesetzt wird, löst dieser überhaupt nicht aus und bringt das Netzteil zum Abschalten oder in die hiccup Betriebsart: Anderseits schaltet ein schnell reagierender thermisch-magnetischer Schutzschalter zu schnell aus und das Gerät lässt sich nicht mehr einschalten.
Konventionelle Schutzschalter sind in vielen Anwendungenleistungsfähig. Aber weil die Gleichspannungsschaltnetzteile mit einer Strombegrenzung versehen sind, kann kein konventioneller Schutzschalter beide Aufgaben erfüllen: den Strom so zu begrenzen, dass das Netzteil nicht abschaltet und eine kurzseitige Überlast von einem Kurzschluss zu unterscheiden.
Betrachten wir jetzt den Einsatz von einem “intelligenten” elektronischen Schutzschalter, um jeden DC Lastkreis zu schützen, um mehr Einfluss auf die Höhe des Laststromes zu gewinnen und um feiner spezifizieren zu können wann und unter welchen Bedingungen er den Lastkreis abschalten soll.
Während die Grundlagen des elektronischen Geräteschutzes bekannt sind, sind elektronische Schutzschalter eine neue Technologie für den Geräteschutz. Konventionelle Schutzschalter benutzen eine der folgenden vier Technologien: thermisch, magnetisch, thermisch-magnetisch und die Leistungsversion. Schutzschalter, die eine diese Technologien benutzen, lösen aus durch die Bewegung eines wärmeempfindlichen Bimetalls oder einen Anker, der durch das Magnetfeld eines Elektromagneten angetrieben wird. Eelektronische Schutzschalter dagegen basieren auf Transistoren und alle Schaltvorgänge der Last geschehen auf elektronischem anstatt auf mechanischem Weg.
Nach der Meinung von E-T-A muss ein “intelligenter” elektronischer Schutzschalter kurzzeitige Anlaufströme tolerieren und gleichzeitig den maximalen Laststrom auf eine Wert, der nicht höher liegt als 1,8-mal seines Nennstroms, begrenzen. Der Nennstrombereich muss zwischen 1 und 12 A liegen, er muss einfach in Stromverteiler montierbar sein, um hochentwickelten Geräteschutz im Anlagenbau für Bauteile wie Sensoren, Aktoren, Feldbuskoppler und SPS sicherzustellen.
Das intelligente Gerät benutzt die Vorteile einer Technik die als “aktive Strombegrenzung” bekannt ist. In diesem Ansatz überwacht der Geräteschutz den Strom und steuert die Begrenzung des Laststromes auf einen Wert der nicht höher liegt als das 1,8fache seines Nennstroms. Die Funktion ist der eines konventionellen Schutzschalters ähnlich. Der Lastkreis wird isoliert wenn der Laststrom für eine zu lange Zeit zu hoch ist und wird nach 3 bis 5 Sekunden abgeschaltet, wenn der Lastrom das 1,1 bis-1,8fache seines Nennstromes erreicht (siehe Bild 5). Die 5 Sekunden Verzögerung ist schneller und sicherer als jede Auslöseverzögerung eines typischen thermisch-magnetischen Schutzschalter, der bis zu 60 Sekunden braucht, um bei 2-mal Nennstrom auszulösen und bei 1,2-mal Nennstrom vielleicht gar nicht auslöst (siehe Bild 3). Im Falle eines Kurzschlusses, wird der Laststrom sofort elektronisch herunter geregelt und die Anlaufsströme von starken Kondensatoren, die beim Einschalten auftreten, werden ebenfalls begrenzt.
Nach dem Auftreten eines Fehlers oder nach Betätigung vom Ein/Aus-Schalter wird der Lastkreis elektronisch isoliert. Diese hochentwickelte elektronische Schutzschaltertechnologie isoliert somit den fehlerhaften Lastkreis, schützt zielbewusst die Komponenten des Steuerungssystems und die Verfügbarkeit der Produktionsanlage sichert. Nach dem Auftreten eines Überstromes und dessen Beseitigung, kann der elektronische Schutzschalter mit Hilfe des Ein/Aus-Schalters oder ferngesteuert durch ein Steuersignal einzeln oder gruppenweise zurückgesetzt werden. Dieses Steuersignal kann ein Niederspannungssignal sein, was unter manchen Umgebungsbedingungen zum entscheidenden Vorteil werden kann (z. B. in Reinräume in denen der Zugang von Servicepersonal streng begrenzt ist).
Die Ingenieure eines Automobilherstellers wussten, dass sie ein Problem hatten. Jedes Mal wenn ein Fehler durch Überlast in einem einzigen Lastkreis auftrat, wurden alle anderen Steuerkreise, die durch das gleiche DC 24 V Schaltnetzteil versorgt wurden, abgeschaltet und die gesamte Produktionsanlage blieb dadurch stehen.
Der Automobilhersteller rechnete die Produktionsausfallkosten für eine seine Produktionsanlage zusammen und kam auf einer Summe von 800 € pro Minute. Zusätzlich wurde beobachtet, dass, wenn ein Schaltnetzteil nach der Überlast wieder versucht hochzufahren, es öfters in die “hiccup” Betriebsart, mit schnellen Ein/Aus Zyklen geht. Eine Anlage mit „Schluckauf“ oder ausgefallene Geräte produzieren Ausschuss und gefährden die Sicherheit der Arbeiter.
Um dieses Problem zu lösen haben sich die Produktionsingenieure an E-T-A, den Marktführer in Punkto Geräteschutzschalter, gewendet. Der erste Ansatz war jeweils einen konventionellen Schutzschalter zwischen Netzteil und jeden Lastkreis einzusetzen. Im Überlastfall in einem einzigen Lastkreis sollte diese Methode verhindern, dass alle anderen Lastkreise, versorgt vom gleichen Netzteil, auch abgeschaltet werden. Allerdings stellte man schnell fest, dass durch die Eigenschaften des Schaltnetzteiles jede Lösung mit konventionellen Schutzschaltern zum Scheitern verurteilt ist.
Die E-T-A Ingenieure beschlossen dann eine eigene elektronische Technologie zu benutzen und eine neue Familie von elektronischen Schutzschaltern, die nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeitet zu entwickeln.
Die E-T-A elektronische Schutzschalter des Typs ESS20, ESX10 und ESX10-T sind die ersten Schutzelemente, die einen selektiven Geräteschutz von Anlagen, die mit DC 24 V Schaltnetzteil versorgt werden, ermöglicht.
Der Schaltzustand ist klar sichtbar und wird durch eine mehrfarbige LED angezeigt. Alle ESS20, ESX10 und ESX10-T Versionen können mit einem Hilfskontakt ausgerüstet werden, der ein Störsignal zur SPS oder zum zentralen Steuerrechner leiten kann, so dass die Produktionsanlage im Fehlerfall sicher abgeschaltet werden kann oder trotzdem am Laufen bleibt.
Der Automobilhersteller benutzt jetzt seit mehreren Jahren ausschließlich elektronische Schutzschalter von E-T-A. Seitdem er diese neuen elektronischen Schutzschalter installiert hat, haben seine Produktionsingenieure beobachtet, dass die Produktionsausfalle sich wesentlich verringert haben und somit wurde 800 € pro Minute gewonnene Produktionszeit gespart.