Verbraucher und Leitungen in 24-V(DC)-Stromkreisen müssen vor Beschädigung oder gar Zerstörung durch Überströme geschützt werden. Eine optimale Absicherung ermöglicht zudem die gezielte Abschaltung aus-schließlich von fehlerhaften Verbrauchern oder Lastpfaden. Durch diese Selektivität führt ein einzelner Fehler nicht zu einem ungewollten Ausfall der gesamten 24-V(DC)-Spannung und auch die Fehlersuche wird beschleunigt.
Bei näherer Betrachtung eines typischen 24-V(DC)-Stromkreises wird schnell klar, dass die Auswahl der passenden Absicherung nicht immer einfach ist, denn verschiedene Faktoren – angefangen bei der Spannungsquelle über die verwendeten Leitungen bis zu den unterschiedlichsten Verbrauchern, die abzusichern sind – wirken hier aufeinander ein. Zudem erschweren die Vielzahl verfügbarer Absicherungen und deren unterschiedliche Funktionsweisen die Auswahl. 

Klassisch abgesichert

Um zu verstehen, woher die aktuellen Herausforderungen bei der Absicherung von 24-V(DC)-Verbrauchern kommen, ist ein kurzer Blick in die Vergangenheit des 24-V(DC)-Aufbaus nötig. Ursprünglich wurden 24-V(DC)-Steuerspannungen mit Hilfe von Transformatoren und Gleichrichterschaltungen generiert. Der Transformator wandelte die primärseitig angelegte Spannung, zum Beispiel 230 V(AC), in eine niedrigere AC-Spannung um; die Gleichrichterschaltung wandelte die niedrigere AC-Spannung anschließend zur DC-Spannung.

Die klassische Absicherung für einen solchen Aufbau ist ein Standard-Leitungsschutzschalter. Dessen thermisch-magnetische Funktionsweise ermöglicht es, zwei verschiedene Fehlerbilder gut absichern zu können. Bei geringen bis mittleren Überströmen spricht nach einigen Sekunden das Bimetall an und trennt den fehlerhaften Stromkreis. Zudem ermöglicht dieses thermische Auslöseprinzip das sichere Einschalten ohne frühzeitige Abschaltung von leistungsintensiven Verbrauchern, Verbrauchern mit hohen Einschaltstromspitzen (etwa DC-Motoren oder Ventile) und Verbrauchern mit hohem kapazitivem Anteil. Bei hohen Überströmen – wie etwa einem Kurzschluss – trennt die Magnetspule den Lastkreis innerhalb weniger Millisekunden. So waren Leitungsschutzschalter in Kombination mit Transformatoren lange die Standardabsicherung für 24-V(DC)-Lastkreise. 
Der beschriebene Vorgang zur Erzeugung von 24 V(DC) hatte aber den Nachteil, dass Transformatoren relativ schwer und teuer waren und oftmals keinen guten Wirkungsgrad hatten. 

Problemstellungen

Durch den zunehmenden Einsatz von getakteten Schaltnetzteilen änderte sich auch die Problemstellung bei der 24-V(DC)-Absicherung. Anders als klassische Transformatoren verfügen Schaltnetzteile über eine vergleichsweise geringe Überlastfähigkeit. Durch diese ‚Leistungsbegrenzung‘ der Spannungsquelle ist es nicht mehr ohne weiteres möglich, Absicherungen mit thermisch-magnetischer Arbeitsweise einzusetzen, da der im Fehlerfall zur Verfügung stehende limitierte Strom nicht immer ausreicht, um die Magnetspule anzusprechen. 

Typischer Aufbau einer 24-V(DC)-Versorgung.

© E-T-A

So trennt das Bimetall erst nach einigen Sekunden, was einen kompletten Ausfall der 24-V(DC)-Spannung nach sich zieht. Denn um sich selbst vor einer Über-lastung zu schützen, reduzieren nahezu alle Schaltnetzteile bereits nach wenigen Millisekunden die Ausgangsspannung oder schalten die Sekundär-seite komplett weg. Lange Lastleitungen verschärfen dieses Problem sogar noch, da ein zu hoher Leitungswiderstand den im Fehlerfall zur Verfügung stehenden Strom nochmal begrenzt. 

Um dieser Problemstellung zu begegnen, gibt es verschiedene Möglichkeiten: Eine Lösung besteht darin, die Leistungsreserven vorzuhalten, um im Fehlerfall einen ausreichend hohen Strom bereitzustellen. Eine andere Möglichkeit ist, Schutzschalter mit einer flinkeren Kennlinie auszuwählen. Zusätzliche Leistungsreserven sind allerdings teurer und benötigen mehr Platz im Schaltschrank. Schnellere Schutzschalter-Kennlinien erhöhen die Gefahr einer ungewollten Auslösung, speziell beim Zuschalten von Verbrauchern mit erhöhtem Einschaltstrom.
 

Moderne Absicherung

Zunehmend kommen daher elektronische Absicherungslösungen zum Zuge. Elektronischer Überstromschutz bietet im Vergleich zu klassischen Leitungsschutzschaltern und anderen thermisch-magnetischen Geräten einige Vorteile – dies gilt insbesondere beim gemeinsamen Einsatz mit Schalt-netzteilen. Die elektronischen Kennlinien von Geräten wie beispielsweise dem REX12 oder dem ESX10-T von E-T-A sind speziell auf die Leistungs-charakteristik von Schaltnetzteilen ausgelegt und ermöglichen so eine schnelle und gezielte Abschaltung im Fehlerfall. Hier gibt es zwei unterschiedliche Ansätze und Funktionsweisen: die aktive Strombegrenzung und die Zeit-Strom-Kennlinie.

Der magnetische Auslösebereich eines C 6 A Leitungsschutzschalters.

© E-T-A

Beim Ansatz der Zeit-Strom-Kennlinie wird im Falle eines geringen bis mittleren Fehlerstroms der Lastkreis nach weniger als 1 s getrennt. So lassen sich die meisten Verbraucher und Lastarten einschalten, da Überströme für kurze Zeiträume toleriert werden. Ein länger andauernder Überstrom führt zur Abschaltung durch den elektronischen Überstromschutz.
Bei hohen Fehlerströmen löst der elektronische Überstromschutz innerhalb von 10 ms aus und ist damit schnell genug, um eine ungewollte Abschaltung des Schaltnetzteils zu verhindern. 

Die aktive Strombegrenzung in den Geräten ESX10(-T), REF16 oder ESS30 und ESS31-T folgt einem anderen Ansatz: Bei niedrigen bis mittleren Überströmen verhält sich diese Technologie sehr ähnlich, innerhalb weniger Sekunden kommt es zur Abschaltung. Bei hohen Überströmen hingegen greift die aktive Strom-begrenzung ein. Das heißt, der Fehlerstrom wird auf einen fest definierten Wert begrenzt und innerhalb 1 s abgeschaltet. Auf diese Weise ist garantiert, dass die Leistungsgrenzen des verwendeten Schaltnetzteils nicht überschritten werden. 
Auch bei extremen Anlaufströmen gibt es so kein Problem mit frühzeitigen Auslösungen, da die Strombegrenzung eine vergleichsweise träge Abschaltzeit ermöglicht. Darüber hinaus können Planer jeden Fehler berechnen und so bestimmen, wie viel Leistung die Anwendung benötigt.

Welche Technologie ist wann geeignet?

Eine 100 % gültige Zuordnung der unterschiedlichen Verbraucher zu einer bestimmten Absicherungstechnologie ist nicht möglich. Vielmehr gibt es bestimmte Eigenschaften von Verbrauchern, die bei der Auswahl der Absicherungslösung zu berücksichtigen sind. Die meisten Standard-verbraucher lassen sich problemlos mit einer Zeit-Strom-Kennlinie sowie mit aktiver Strombegrenzung absichern. Ist die Spannungsversorgung entsprechend dimensioniert, können auch thermisch-magnetische Lösungen zum Einsatz kommen.

Das REX12-System lässt sich durch seine benutzerfreundliche Verbindungstechnik modular und ohne Zubehör aufbauen und verdrahten.

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Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn sichergestellt werden kann, dass der im Fehlerfall verfügbare Strom zur magnetischen Auslösung ausreicht. Bei sehr langen Lastleitungen wirken die Zuleitungen als zusätzliche Strom-begrenzung. Hier sollten be-vorzugt elektronische Absicherungen zum Einsatz kommen, die auch mit einem begrenzten Fehlerstrom sicher auslösen. Bei Verbrauchern mit hohem Strombedarf im Einschaltmoment eignet sich die aktive Strombegrenzung am besten, da sie alle Stromspitzen vergleichsweise lange toleriert und so selbst extreme Einschaltströme sicher einschalten kann. Auch die Zeit-Strom-Kennlinie ist geeignet, sollte aber genauer mit den Lastanforderungen abgeglichen werden. Besitzen Verbraucher eine integrierte eingangsseitige Spannungs­überwachung, ist eine Zeit-Strom-Kennlinie die beste Lösung, da hier die Spannung für den Verbraucher nicht beeinflusst wird.

Normungs-Besonderheiten

In Deutschland, Europa und Nordamerika definieren EC/EN 60934 beziehungsweise UL 1077 die Anforderungen an Geräteschutzschalter. Sie stellen sicher, dass ­Funktion, Verhalten und Sicherheit der Geräte-schutzschalter einheitlichen Kriterien entsprechen. Nach diesen einschlägigen Normen ist eine galvanische Trennung im Fehlerfall auch für 24-V(DC)-Lastkreise zwingend erforderlich. Gleichzeitig bietet eine galvanische Trennung neben der Erfüllung dieser Normen weitere Vorteile: Sie verhindert nach einer Auslösung oder einer manuellen Abschaltung eine fehlerbedingte Rückspeisung auf die 24-V (DC)-Steuerspannungs­ebene. Dies schließt gefährliche Anlagenzustände komplett aus und ermöglicht zudem eine vereinfachte Fehlersuche ohne Restspannungen.

Marco Schmidt ist Junior-Produktmanager der Sparte Automation & Process Control bei E-T-A in Altdorf.

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 Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, gibt es entsprechende Geräte, die neben der elektronischen Kennlinie zusätzlich eine galvanische Trennung erlauben. In den Geräten ESS30 und ESS31-T ist eine vollwertige Bimetall-Baugruppe integriert, die im Fehlerfall für die galvanische Trennung sorgt. Im Falle eines Überstroms erfolgt so zuerst die elektronische Abschaltung des Lastkreises und einige Sekunden später trennt zusätzlich das mechanische Trennelement. 

Sehr viele Maschinen und Anlagen aus dem EU-Raum werden nach Nordamerika geliefert. Für den Einsatz in diesen Ländern ist es erforderlich, dass die Komponenten nach UL-Zertifizierungen zugelassen sind. So müssen Schalt- und Steuerschränke nach der UL508A (Industrial Control Panel) aufgebaut sein. Elektronische Sicherungsautomaten ohne integrierte galvanische Trennung haben standardmäßig eine Zulassung nach UL508listed (Industrial Control Equipment) beziehungsweise UL2367 (Solid State Overcurrent Protector). Bei einigen Sicherungsautomaten bis Nennstrom 4 A kann die UL2367 um die Zulassung nach UL1310 (Class 2 Power Unit NEC Class 2) ergänzt werden. Dadurch sind diese Geräte auch nach UL508A in Sekundärkreisen einsetzbar. Durch die ‚listed‘ Zulassung ist eine ‚procedure description‘ nicht erforderlich.