Elektronische Lastrelais (ELR) - Wirkungsweise und praktischer Einsatz

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1 Best.-Nr Technik Walter Brünnler Elektronische Lastrelais (ELR) - Wirkungsweise und praktischer Einsatz Nullpunktschalter Bei elektronischen Lastrelais mit Null- punktschalter wird V7 nur dann ge- zündet, wenn die Steuerspannung zu einem Zeitpunkt angelegt wird, bei dem der Augenblickswert der Netzspannung unterhalb der Nullspannung liegt. Ist die Nullspannung bereits überschritten, bleibt V7 bis zur näch- sten Halbwelle gesperrt, wodurch eine Einschaltverzögerung von nahezu einer Halbwelle entstehen kann [l]. Elektronische Lastrelais (ELR) (Bild 1) werden vorwiegend dann eingesetzt, wenn hohe Schaltzahlen und lange Lebensdauer, aber keine Trennung der Last vom Netz (entsprechend VDE) und keine mehrpoligen Relais gefordert werden. Die galvanische Trennung zwischen Steuer- und Schaltkreis wird über Opto- koppler erreicht. Prellfreies Schalten, Einschalten im Spannungsnulldurchgang und Abschalten im Stromnulldurchgang verrin- gern Funkstörungen. Geringe Steuerleistungen ermöglichen das direkte Ansteuern mit integrierten Schaltungen. Wirkungsweise des ELR Den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines ELR zeigt Bild 2. Der Steuerkreis besteht aus der Lichtemitterdiode (LED) V2 des Optokopplers, die in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand Rl und einer Schutzdiode Vl geschaltet ist. Zur Ansteuerung des ELR wird nur der geringe Strom der Lichtemitterdiode V2 benötigt, während der restliche Steuerkreis (V3, V4 usw.) aus der Netzspannung gespeist wird. Der Eingang ist TTL-kompatibel. Im Schaltkreis übernimmt der Triac V7 oder zwei antiparallele Tyristoren die Lastschaltung. Das bei allen ELR eingebaute RC-Glied (R7/Cl) parallel zum Ausgang erlaubt den Betrieb induktiver Lasten und dämpft in einem gewissen Umfang die im Wechselstromnetz auftretenden Störspannungen. Die galvanische Trennung wird durch den Optokoppler erreicht. Beim Anlegen der Steuerspannung VS, wird zunächst der Hilfsthyristor V5 gezündet, der wiederum den für den Schaltstrom dimensionierten Triac. V7 durchsteuert. Nach dem Abschalten der Steuerspannung fließt der Schaltstrom zunächst bis zum Nulldurchgang weiter, der Triac V7 wird nicht mehr gezündet und es verbleibt nur noch ein geringer Leckstrom. Dipl.-Ing. (FH) Walter Brünnler, Siemens AG, Bereich Kommunikationstechnik, Entwicklung Komponenten, München Schutzdiode im Steuerkreis Da die Sperrspannung der LED niedrig ist, kann ein falschgepolter Anschlug oder eine der Steuerspannung überlagerte Störspannung zur Zerstörung Schaltkreis Schallstrom hl Schaltspannung V,fl 240 Schaltspannungsbereich V.ff Höchste period. Spitzensperrspannung V, 6cQ Frequenzbereich HZ Stoßstrom-Grenzwert.während 1 Periode A, I Hz. nur gelegentlich zul. Scheitelwert Min. Schaltstrom (Haltestrom1 ma.,, 1 50 ( 50 l 70 Kritische Spannungssteilheit Krit. Kommutierungs-Spannungssteilheit Vlps Kritische Stromsteilheit di/dt Grenzlastintegral, 10 ms Ansprechverzögerung Steuerkreis Steuerspannung Ansprechwert Abfallwert Steuerstrom ms max. 1 Halbwelle (Nullpunktschaltg.) V V- <3 V- >l >O,8 ma <20

2 Technik EIngang. Sleuerkrels us, Steuerspannung U, Schaltspannung UN Netzspannung Bild 2 Vereinfachtes Schaltbild eines elektronischen Lastrelais derselben führen. Aus diesem Grund liegt in Reihe mit der LED V2 eine Schutzdiode VI. Spezifische Lastbereiche Während man über einen mechanischen Relaiskontakt wahlweise Gleichoder Wechselspannung oder auch HF- Spannung führen und die Lastbereiche - Ströme und Spannungen -weit variieren kann, muß der Schaltkreis beim elektronischen Relais spezifischer auf Lastart und Lastgrö5e ausgerichtet sein. Die hier beschriebenen ELR sind für den Betrieb mit Netzwechselspannung vorgesehen. Schaltstrom Der Strom, den ein ELR führen kann, ist von der Umgebungstemperatur und der Kühlart abhängig. Für jedes ELR sind in der Produktschrift [2] entsprechende Belastungskennlinien angegeben. Elektronische Lastrelais mit Schaltströmen bis 5 A(eff.) für Print- Platteneinbau führen die Verlustleistung zum überwiegenden Teil durch Luftkonvektion ab. Die ELR ab 10 A(eff.) sind bei Luftselbstkühlung nur mit einem stark verringerten Schaltstrom belastbar. Sie müssen zur Ableitung der Verlustleitung auf ein Metallchassis oder einen handelsüblichen Profilkühlkörper, der im allgemeinen aus schwarz eloxiertem Aluminium besteht, gut wärmeleitend montiert werden. Um den Wärmeübergangswiderstand zwischen ELR und Kühlkörper so niedrig wie möglich zu halten, ist der Luftspalt mit einer geeigneten Warmeleitpaste auszufüllen. - Last Bild 3a zeigt am Beispiel des 25-A Typs, wie groß der Wärmewiderstand (KW) des Kühlkörpers bei entsprechendem Schaltstrom und einer vorgegebenen Umgebungstemperatur sein muß. Zur Kontrolle. ob die Wärmeableitung ausreicht, soite die Temperatur der Gehäusegrundplatte überprüft werden (Bild 3 b). Der Wärmewiderstand R,,,, des erforderlichen Kühlkörpers kann auch wie folgt berechnet werden: Dabei bedeutet: P tot Gesamtverlustleistung (s. Kennlinien Bild 4) s, Sperrschichttemperatur %JC Innerer Wirmewiderstanddes ELR (Sperrschicht/ Gehäusegnmdpl.ac) 0 BC Temperatur der Geh~usegrundplarre Ecn wbergmgswärmerviders~~d (ELR/Kiihlkörper) 0 4i Temperatur des Kühlkörpers P TYP 4 &JC KhCK RhM Kühlkorperwärmewiderstand V23100-SO302 -AZ10 -A225 ma C 2,1 1,3 1.1 KPW s. Angabe tiber Wärmeleitpaste, im allgemeinen 0,l -2- t Vollwellensteuerung Sämtliche elektronische Lastrelais mit Nullpunktschalter sind für den Einsatz in Vollwellensteuerungen vorgesehen. Hierbei wird die Last in einem bestimmten Rhythmus mehrere Halbwellen lang ein- und ausgeschaltet (Bild 5 a). Die ebenfalls gebräuchliche Phasenanschnittsteuerung (Bild 5 b) wird nur dort eingesetzt, wo aus technischen Gründen eine Vollwellensteuerung nicht in Betracht kommt, z.b. bei der Helligkeitssteuerung (Dimmer) von Beleuchtungsanlagen oder bei der Drehzahlsteuerung von Motoren. Die Vorteile der Vollwellensteuerung sind wie folgt:. Der Schaltstrom steigt bei rein ohmsehen Lasten von Null aus sinusförmig an. Daher entstehen nur minimale Funkstörungen im Gegensatz zur Phasenanschnittsteuerung, bei der Funk- Entstörfilter notwendig sind.. Der bei Phasenanschnittsteuerune 0 sprungartige Spannungsanstieg kann andere Verbraucher, insbesondere weitere Triac- oder Thyristorsteuerschaltungen, stören. Schaltstrom Schaltstrom 30 1 A 20 + Umgebungstemperatur P Schaltstrom als Funktion der Umgebungstemperatur Paramerer: Wärmewiderstand des Kühlkörpers in K/W - Max zu1 Gehausetemperatur b Schaltstrom als Funktion der Gehäusetemperatur (Meßstelle Mitte der Grundplatte) K/W 1 Bild 3 Belastungskcnnlinicn für das ELR V23100-S0302-A225

3 Technik, Für ELR V23100-S0302-A210 b Für ELR V23lCGS0302-A225 : Für ELR V23100-S0302-A240 - A 210 > b -A225 c 'O' P M 35 t wa W T A IO A A 40 Bild 4 Verlustleistung als Funktion dcs Schaltstroms. Während bei Phasenanschnittsteuerung bei rein ohmscher Last ein nacheilender Blindstrom entsteht, der eine induktive Last vortäuscht, wird das Netz bei Vollwellensteuerung nicht induktiv belastet. Schaltungsdimensionierung Der Vorteil der ELR, eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer zu gewährleisten, kann nur dann voll ausgenutzt werden, wenn eine gewissenhafte Schaltungsdimensionierung vorausgeht. So fehlt dem ELR die Robustheit gegenüber sporadischen oder periodisch wiederkehrenden Uberlastungen, die ein elektromechanisches Relais aufweist. Während sich beim elektromechanischen Relais in derartigen Fällen nur die Lebensdauer infolge eines vermehrten Kontaktabbrandes verringert, kann das ELR sofort ausfallen, wenn keine geeigneten Schutzeinrichtungen vorgesehen sind. Oftmals ist insbesondere die Beurteilung der Uberspannungen nicht so ohne weiteres möglich und erfordert die Schaltungsüberprüfung mit dem Oszillografen während des Betriebes. Nachstehend soll bei verschiedenen Lastarten auf deren Eigenheiten hingewiesen werden. Widerstandslast Die Belastung mit rein ohmsehen Verbrauchern, wie Heizkreisen, stellt im allgemeinen keine besonderen Anforderungen an die ELR dar. Bei Lampenlast ist dagegen zu berücksichtigen, daß der Einschaltstrom infolge des niedrigen Kaltwiderstands ein Vielfaches des Betriebsstroms betragen kann und z.b. bei einer ioo-w-glühlampe den llfachen Wert erreicht (Bild 6a). Wird die Glühlampe dagegen von einem ELR mit Nullpunktschalter geschaltet, verringert sich die Einschaltstromspitze auf etwa den 5fachen Wert (Bild 6 b) mit wesentlich geringerer Anstiegssteilheit. Das ELR ist für diesen niedrigeren Strom auszulegen. a b Bild 5 VoUweUensteuerung (a) im Vergleich zur Phasenanschnittsteuerung (b) -3- Da bei Ausfall der Glühlampen meist ein Kurzschluß entsteht, ist ein Kurzschlußschutz durch eine superflinke Halbleitersicherung vorzusehen. Induktive Lasten Einen Großteil der Belastungen stellen induktive Verbraucher dar. Aufgrund ihres Verhaltens lassen sie sich in folgende Gruppen unterteilen: Transformatoren Beim Transformator fließt im Einschaltaugenblick ein Stoßstrom, dessen Höhe von der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und der Auslegung des Magnetkreises abhängt. Erreicht der Magnetfluß den Sättigungsbereich, kann der Einschaltstrom in der ersten Halbwelle den 50fachen Wert des Dauerstroms erreichen. Dieser klingt zwar kurzfristig ab, muß aber durch Uberdimensionierung des ELR oder durch Strombegrenzung berücksichtigt werden. Die Höhe des Einschaltstroms ist entweder mit dem Oszillografen zu ermitteln oder überschlägig aus dem Scheitelwen der Netzspannung und dem ohmsehen Widerstand der Prim arwicklung zu berechnen.

4 Technik a llfacher Einschaltstrom einer Iod-W- Glühlampe beim Schalten im Spannungsmaxmum b Verringemngauf den Sfachen Einschaltstrom einer 100 W-G1iihlampebeim Schalten mit Nullpunktschalter Bild 6 Einschalten einer Lampenlast Bild 7 Eischaltverhalten eines Schützes. Betriebsstrom 38 ma(&), 5facher Einschaltstrom (270 ma Scheitelwert) r---i Schaltmagnete Motoren Schaltmagnete sind Schütze, Magnetventile, Magnetkupplungen und ähnliehe induktive Lasten. Der Einschaltstrom wird sowohl durch den Stromflußwinkel als auch durch den im Ruhezustand offenen Magnetkreis beeinflußt. Er ist wesentlich niedriger als beim Transformator und klingt nach wenigen Halbwellen auf den Dauerstrom ab. In Bild 7 ist der Einschaltstrom eines Kleinschützes dargestellt, der den Sfachen Wert des Dauerstroms erreicht. Da der Dauerstrom des Schaltmagneten im allgemeinen weit unter dem zulässigen Schaltstrom des Beim Einschalten eines Motors wird der Einschaltstrom vom Stromflußwinkel und der mechanischen Belastung an der Welle beim Anlauf bestimmt, so daß er über einen wesentlich längeren Zeitraum als beim Transformator oder Schaltmagneten fließen kann. Wegen der unterschiedlichen Motortypen, deren Schaltungsart und Einsatzbedingungen sind die ELR nach weiteren Gesichtspunkten, wie im Hinblick auf Uberspannungen, Kondensatorladeströme, Einsatz am Einphasen- oder Drehstromnetz, zu dimensionieren, weshalb eine fallweise ELR liegt, sind kaum Uherlastungen Bemessung die optimale Lösung durch Stromspitzen zu erwarten. Andernfalls ist die zulässige Uberlastung für den Einzelfall festzulegen. Schaltmagnete weisen oft kurze Einschalt- oder Abschaltzeiten auf. Falls bringt. In Bild 8 ist der Betrieb eines Motors am Drehstromnetz dargestellt. Da zur VDE-mäßigen Netztrennung ein Schalter erforderlich ist, genügen zwei ELR für eine Schaltwechselspannung von 380 V. Wird dagegen der sie beim Betrieb mit ELR zum Flattern neigen, sind erhöhte Störspannungen Mittelpunktleiter mit angeschlossen, im Netz zu vermuten, die das ELR für den Bereich einer Halbwelle oder weniger unterbrechen. Hier sind zur Abhilfe dann sind drei ELR mit der niedrigeren Schaltspannung von 240 V erforderlich (Bild 9). gegebenenfalls externe, parallel zum Ausgang und eventuell auch zum Eingang geschaltete RC-Kombinationen, z.b. 0,l pf/100 R, wirksam. Bei Abschalten induktiver sehr steilen Störspannungsflanken kann in Einzeilällen diese Beschaltung Verbraucher nicht wirksam sein, weil über schaltungsbedingte Streukapazitäten im Inneren des ELR der Triac gezündet wird. In diesem Fall ist zu prüfen, ob sich das erhöht störsichere ELR V B302[3] besser eignet. Eine weitere Möglichkeit besteht im Einsatz des ELR V23100-S0033-B105 mit hochsperrenden Thyristoren im Schaltkreis. Da in sämtlichen ELR parallel zum Ausgang eine RC-Beschaltung eingebaut ist, können induktiic Lasten bis zu einem cos q = 0,5 ohne Fehlverhalten abgeschaltet werden. Bei einem höheren induktiven Anteil kann eine zusätzliche externe Beschaltung mit einem RC-Glied und einem Varistor parallel zum Ausgang erforderlich werden. - Ll 3xELR L2 L3 N 1 Bild 8 Schalten einer Last ohne Mittelpunktanschluß am Drehstromnetz mit 380 V Bild 9 Schalten einer Last mit Mittelpunktanschluß(N) am Drehstromnetz mit 380 V 2xELR 38OV- -4-

5 TECHNISCHE DATEN RELAIS TYP Lastkreis Betriebsspannungs-Bereich 240V-Tyr (f = Hz, 400 Hz auf 1 POV-Tyr: Anfrage) Periodische SpitzenspannunglJ 240V-Ty6,20V.Tyr: Max. Dauerlaststrom 2) Min. Laststrom Stoßstrom für 20 ms siehe auch Seite 12 Diagramm-Kurve Nr.. Spannungsabfall bei max. Laststrom Thermischer Widerstand RTHJG Sperrschicht/Gehäuseboden Verlustleistung Grenzlastintegral l* t bei t = B,3 ms Leckstrom im Auszustand Statisches du/dt RC-Glied (pf/nz): 240V-Typ 12OV-Typ Isolationsspannung 31 Isolationswiderstand Ansteuerkreis Einschaltspannungs-Bereich Ausschaltspannung Schaltzeiten siehe Bemerkung: Eingangswiderstand T V ov-, 500 v 25av 10 A 50 ma 1lOA 4 1,6 V 4K/W 1 WIA 5OA*s 15mA > 200 Vlus O,l/iW 0.1/ Veff lolo n 3-32V= 1 v= LASTSTROM-DIAGRAMME Bemerkungen: 1) 240-V-Typen, auch mit einer periodischen Spitzenspannung von 650 erhältlich. Typen-Bezeichnung durch -7 ergänzen. Die -7 -Version in Verbindung mit einem Varistor gibt optimalen Schutz gegen Überspannungen. 2) Laststrom-Diagramme beachten. Kurven haben auch Gültigkeit für induktive Lasten bis cos 9 = 0,5. 3) Koppelkapazität zwischen Eingang und Ausgang CK = 8 pf. 4) Einschaltzeit: Max. eine Halbperiode (Spannungs-Nulldurchgang) Ausschaltzeit: Max. eine Halbperiode (Strom-Nulldurchgang) Betriebstemperatur-Bereich: -40 oc bis +loo oc Halbleitw IlOA BEMERKUNGEN: Oben aufgeführte Lasten setzen eine Umgebungstemperatur von 40 oc sowie einen Alukühlkörper (150 x 150 x 3 mm [2 k/w]) für Ströme größer 3 A voraus. Alle OPTO 22 Halbleiterrelais können auch in Serie geschaltet werden, um eine höhere Spannungsfestigkeit (period.) zu erzielen. Z.B., zwei 240 V-Relais in Serie können am 480 V-Netz arbeiten, die Ansteuereingänge werden einfach parallel gesthalten. MOTOR-LASTEN: Bei einem 3 $-Motor ist nur notwendig 2 $ zu schalten; zu schalten, reduziert jedoch die Spannung über den Relaiskontakten. Bei Motoren mit hoher Anlauflast kann während dem Abschaltvorgang eine Spannung über den Relaiskontakten von 150 % über Nominalspannung erzeugt werden. (Achtung bei Dimensionierung!]. 1-5-

6 TYPISCHE APPLIKATIONEN Schaltung von Magnetventilen, Lampen Schütze und Motoren etc. Schaltung eines Drehstromverbrauchers ohne Mittelpunktsleiter Relais-Vorzugstyp: 480DlO D1512. zrn -- l - * Achtung! Zur Vermeidung eines Kurzschlußes im Umschaltaugenblick ist während des Umschaltvorganges eine Totzeit von 1Oms zu gewährleisten. Schaltung eines Drehstromverbrauchers mit Mittelpunktsleiter Steuerschaltung für Drehstrom-Motor mit Umkehrbetrieb -6-