Elektronische Sicherungen ermöglichen aufgrund ihrer Auslöse- Charakteristik selbst bei langen Leitungen oder kleinen Aderquerschnitten im Störfall eine sichere Abschaltung. Bedingt durch ihre Empfindlichkeit neigen sie jedoch auch zu Fehlauslösungen. Ebenso müssen Stromversorgungen korrekt dimensioniert sein, denn sonst können sie im Fehlerfall den erforderlichen Auslösestrom nicht liefern. Dass die Absicherung der DC-Stromkreise essenziell ist, zeigt die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG: Darin ist die kritische Überprüfung der Auswirkungen von Störungen an der 24-V-Versorgung explizit aufgeführt. Störungen können durch Netzausfälle oder Netzschwankungen verursacht werden.

Abhilfe schaffen Puffermodule. Weitaus kritischer sind jedoch lastseitig verursachte Spannungseinbrüche an der 24-V-Versorgung. Führt zum Beispiel ein gequetschtes Versorgungskabel zu einem Kurzschluss, fließt nahezu der gesamte Strom des Netzteils in diesen fehlerhaften Pfad. Um in diesem Fall die Abschaltung der gesamten Anlage zu vermeiden, ist eine rasche Abtrennung dieses Pfades erforderlich. Oft verursacht bereits das Zuschalten eines Verbrauchers mit großer Eingangskapazität ähnlich hohe Ströme, wenn auch nur kurzzeitig.

In einer Anlage gibt es typischerweise drei Arten elektrischer Verbraucher, die in der Regel gemeinsam von einem Netzteil versorgt werden:

• elektronische Geräte,
• elektromechanische Komponenten
• und sicherheitsrelevante Stromkreise.

Als besonders empfindlich gelten die elektronischen Verbraucher, zum Beispiel eine SPS. Bei ihnen führen bereits kürzeste Unterbrechungen der Versorgungsspannung zu einem Funktionsverlust oder lösen einen ungewollten Neustart aus. Die zulässigen Grenzwerte für die Überbrückungszeit und den Versorgungsspannungsbereich von Steuerungskomponenten sind in der EN 61131-2 festgelegt. Jede Abweichung von diesen Werten ist kritisch.

Getaktete Stromversorgungen - die Besonderheiten

Grenzwerte für Spannungsunterbrechungen (rechts) und Spannungsschwankungen für „empfindliche“ Verbraucher nach IEC 61131-2. Der Bereich von 19,2 V bis 20,4 V ist nur für AC-Komponenten zulässig.

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Ein Kurzschluss stellt eine sehr niederohmige Belastung für die Stromversorgung dar und „saugt“ bei verzweigten Systemen den größten Teil des Stroms ab. Die heute üblichen getakteten Stromversorgungen schalten in solchen Fällen von der Betriebsart Spannungsregelung in den Strombegrenzungsmodus, um sich selbst zu schützen. Liegt diese Strombegrenzung unterhalb der Auslösegrenze des Schutzelements, kann dieses den Stromkreis nicht mehr abschalten. Klassische Leitungsschutzschalter oder Schmelzsicherungen sind hier in den meisten Fälle zu ungenau. Außerdem benötigen sie für eine schnelle Auslösung ein Vielfaches ihres Nennstroms.

Bei elektronischen Sicherungen tritt dieses Problem nicht auf, da sie den Strom messen und Halbleiter als schnelle Schaltelemente verwenden. Mittlerweile sind elektronische Sicherungen seit über zehn Jahren auf dem Markt und ihre Kinderkrankheiten gelten als auskuriert. Den ersten Sicherungen fehlte das gutmütige dynamische Verhalten von Leitungsschutzschaltern. Daher lösten sie oft bereits bei betriebsbedingten Einschalt-Stromstößen aus und verursachten ungewollte Maschinenstillstände. Displays, Motorsteuerungen und andere Verbraucher mit großen Eingangskapazitäten ließen sich nur mithilfe von überdimensionierten Sicherungen einschalten.

Dieses Manko haben einige Hersteller bei ihren aktuellen Generationen abgestellt, die inzwischen mühelos Kapazitäten bis zu 20 000 μF verkraften können. Eine gewisse Skepsis bleibt: Denn eine Fehlauslösung bei einer Störung kann ebenso Schaden anrichten wie ein Nicht-Auslösen.

Elektronische Sicherung: Mit oder ohne Strombegrenzung

Kritische Verbraucher sind direkt mit dem Netzteil verbunden. Mögliche „Störer“ und unempfindliche Komponenten werden über das Pisa-Modul versorgt.

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Elektronische Sicherungen gibt es mit oder ohne aktive Strombegrenzung. Die einfachen Ausführungen beinhalten nur eine Stromüberwachung mit anschließender Abschaltung des Ausgangs. Dieses Konzept ist zwar kostengünstig, belastet aber die speisende Stromversorgung wesentlich stärker, da der Strom nahezu „ungebremst“ in den gestörten Strompfad fließt. Dementsprechend wenig „Saft“ bleibt dann für die restlichen Verbraucher- Abzweige. Daher muss die Auslösezeit der Sicherung sehr kurz gewählt werden, um längere Spannungseinbrüche mit einer anschließenden Kettenreaktion von Abschaltungen der Verbraucher zu vermeiden.

Bei dieser Technik ist es empfehlenswert, die einzelnen Strompfade zeitlich versetzt zuzuschalten. Die Verteilung der Einschaltstromspitzen entlastet die Stromversorgung merklich. Die aufwendigeren elektronischen Sicherungen beinhalten eine aktive Strombegrenzung, die den Strom auf etwa den 1,5- bis 1,8-fachen Nennwert begrenzt. Die speisende Stromversorgung wird damit deutlich weniger belastet. Daher kann die Zeitspanne bis zur Abschaltung länger gewählt werden. Insgesamt ist dieses Konzept unempfindlicher gegen kurze Lastspitzen und erlaubt auch das Zuschalten großer kapazitiver Lasten.

Schutzbarriere hält Spannung hoch

Der Grundgedanke des von der Firma Puls entwickelten Pisa-Moduls (Protects Interrupts Secures Assists) ist, möglichst direkt und ohne das Risiko von Dimensionierungsfehlern die Versorgungsspannung für kritische Verbraucher wie Steuerungen oder sicherheitsrelevante Stromkreise sicherzustellen. Dazu werden die Verbraucher, die auf kurze Spannungsunterbrechungen unempfindlich reagieren oder selbst die Ursache für Fehler sein können, über eine Schutzbarriere „isoliert“. Diese Schutzbarriere arbeitet wie ein Ventil und lässt nur so viel Strom durch, dass dessen Eingangsspannung – diese entspricht der Ausgangsspannung der Stromversorgung – nicht unter 21 V einbricht. Damit wird eine sichere und unterbrechungsfreie Versorgung aller anderen Verbraucher möglich, die an der gleichen Stromversorgung wie das Pisa- Modul angeschlossen sind. Da bei diesen Geräten nur noch der Leitungs- und Geräteschutz zu realisieren ist, reichen für diese Lastkreise einfache Standard- Leitungsschutzschaltern aus.

Die Schutzbarriere arbeitet ähnlich wie die einfachen elektronischen Sicherungen: Lediglich die Stromüberwachung wurde durch eine spannungsabhängige aktive Stromregelung ersetzt. Die angeschlossenen Verbraucher können daher gefahrlos den maximal möglichen, verbleibenden Strom nutzen, den die Stromversorgung zur Verfügung stellt. Wird ein zulässiger Kanalstrom oder der Gesamtstrom des Moduls von 20 A überschritten, begrenzt das Modul zunächst alle Ausgangsströme und schaltet alle Ausgänge zeitverzögert ab.

Schutz kleiner Leitungsquerschnitte

Das Pisa-Modul verhindert, dass Fehler in den überwachten Stromkreisen die Versorgungsspannung unzulässig absenken und so Folgefehler entstehen.

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Jeder Ausgang des Moduls hat eine eigene elektronische Strommessung und ist intern mit einer fest eingelöteten Schmelzsicherung gemäß UL 248 geschützt. Damit erfüllen die Komponenten die Anforderungen gemäß UL 508A §31.1.2 (Branch Circuit Protection). Allerdings reagiert die Elektronik immer schneller und löst aus, bevor die Schmelzsicherung überhaupt ansprechen kann. Ein häufiges Argument gegen elektronische Sicherungen sind die deutlich höheren Kosten im Vergleich zu klassischen Leitungsschutzschaltern. Aus diesem Grund war es bei der Entwicklung des Pisa-Moduls ein wichtiges Ziel, die Kosten so weit wie möglich zu optimieren.

Eine Maßnahme hierfür ist der vierkanalige Aufbau, der Mechanik, Elektronik und Verkabelung spart. Kostendämpfend wirkt auch die Sammelabschaltung aller Ausgänge bei einer Störung. Allerdings muss bei der Projektierung abgewägt werden, ob die zusätzlich abgeschalteten Ausgänge Probleme machen könnten. Meist ist das jedoch nicht der Fall. Die Kosten für ein Pisa-Modul liegen aufgrund dieser Maßnahmen bei etwa der Hälfte marktüblicher elektronischer Sicherungsmodule mit vier Kanälen und nur geringfügig über denen klassischer Leitungsschutzschalter mit Hilfskontakt. Zur Verfügung stehen mehrere Module mit verschiedenen Bemessungsströmen, beispielsweise 4 × 1 A oder 4 × 10 A sowie gemischte Varianten mit 2 × 3 A + 2 × 6A und 2 × 6A + 2 × 10 A.

Problemfeld Netzteildimensionierung

Um preislich mit LS-Schaltern konkurrieren zu können, ist das Schutzmodul mit nur einer Abschaltsteuerung für alle Kanäle ausgestattet.

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Nur eine korrekte Auslegung des Stromversorgungs- und Sicherungskonzeptes garantiert einen zuverlässigen Schutz im Fehlerfall. Bei einzeln abgesicherten Verbraucherstromkreisen neigt man dazu, den gesamten Strombedarf zu unterschätzen und die Stromversorgung zu klein zu dimensionieren. Elektronische Sicherungen sind zwar hinsichtlich Auslösestrom exakt spezifiziert, für eine Schnellabschaltung brauchen sie aber üblicherweise den 1,5- bis 1,8-fachen Nennstrom, um ausreichend unempfindlich gegenüber Fehlauslösungen zu sein. Die Stromversorgung muss also für diesen „Reservestrom“ überdimensioniert werden, ansonsten sind Schutzwirkung und Selektivität gefährdet.

Ein Rechenbeispiel: Bei zwei Verbrauchergruppen die jeweils 1 A Nennstrom benötigen und zwei weiteren mit jeweils 3,5 A, werden in der Regel zwei elektronische Sicherungen mit 2A und zwei mit 6 A gewählt. Im Normalfall fließen insgesamt 9 A (2 A + 7 A). Hat eine 3,5-A-Gruppe einen Fehler oder Kurzschluss, benötigt die 6-A-Sicherung 9A (1,5 * In) zum Auslösen. Zusätzlich mit den anderen drei Verbrauchergruppen muss die 24-V-Stromversorgung zur Abschaltung der fehlerhaften Gruppe also 14,5 A liefern können. Da für die Ermittlung des notwendigen Reservestroms die Sicherung mit dem höchsten Ampere-Wert maßgebend ist, muss das Netzteil bei diesem Szenario einen Reservestrom von mindestens 5,5 A (14,5 A – 9 A) vorhalten. In der Praxis wird der Steuerungstechniker daher eine 20-A-Standardstromversorgung wählen, obwohl der Nennstrom lediglich 9A beträgt.

Weiteres Gefahrenpotenzial entsteht bei einer Anlagenerweiterung. Häufig wird der erforderliche „Reservestrom“ vergessen und die Stromversorgung bis zu ihrem Nennstrom belastet. Im Störfall steht dann keine Stromreserve zur Verfügung und die Stromversorgung geht in die Begrenzung, bevor die Sicherung den fehlerhaften Pfad abschalten kann. Bei den Pisa-Modulen ist kein „Reservestrom“ erforderlich, eine 10- A-Stromversorgung reicht für das Beispiel aus: Der Fehler im 3,5-AStromkreis würde die Stromversorgung in den Strombegrenzungsmodus bringen und die Spannung nur leicht einbrechen lassen. Das Schutzmodul überwacht jedoch diese Spannung und verhindert, dass sie unter 21 V sinkt, indem es den Ausgangsstrom in dem gestörten Stromkreis begrenzt. Diese Begrenzung bleibt für einige Zeit bestehen, bevor das Modul die Ausgänge abschaltet. Eine Versorgung von empfindlichen elektronischen Verbrauchern wie Steuerungen ist damit lückenlos gegeben. Mit dieser Eigenschaft ist auch eine Fehldimensionierung ausgeschlossen.

Autor: Michael Raspotnig ist Senior Design Manager bei der Firma Puls in München.

Auslöseverhalten verschiedener Sicherungselemente

Die Oszillogramme zeigen die Eigenschaften unterschiedlicher Techniken zum Absichern von 24-V-Stromkreisen. Untersucht wurde das Auslöseverhalten von 6-ASchutzelementen in Verbindung mit einer 10-A-Stromversorgung bei Kurzschluss.

Während bei den ersten drei Testaufbauten das 10-A-Netzteil bereits bei einem 6-A-Schutzelement an seine Grenzen stößt, kann mit einem Pisa-Modul problemlos ein 10-A-Verbraucher versorgt werden, ohne dass die Schutzfunktion verlorengeht.