24V-Stromkreise kosteneffektiv elektronisch absichern Elektronische Sicherungen

Autor / Redakteur: Michael Raspotnig / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Im Gegensatz zu klassischen Leitungsschutzschaltern überwachen und begrenzen elektronische Sicherungen den Strom wesentlich genauer und schneller. Allerdings ist deren Auswahl alles andere als trivial. Viel unkomplizierter ist dagegen der Aufbau eines von Puls entwickelten Schutzkonzepts – und statt nur den Strom zu messen, überwachen die neuen Sicherungsmodule auch die Spannung.

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Mit dem neuen PISA-Sicherungsmodul von Puls werden Fehlanpassungen oder Dimensionierungsfehler nahezu unmöglich
Mit dem neuen PISA-Sicherungsmodul von Puls werden Fehlanpassungen oder Dimensionierungsfehler nahezu unmöglich
( Archiv: Vogel Business Media )

Eine Anforderung zur Erfüllung der neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG ist die kritische Überprüfung der Auswirkung von Störungen an der DC-24V-Versorgung. Es darf dabei zu keinen gefährlichen Situationen kommen. Maschinen dürfen nicht unbeabsichtigt loslaufen, müssen sich zu jeder Zeit stillsetzen lassen können und dürfen auch sonst keine Gefahren, wie zum Beispiel Überhitzungen oder Brände, verursachen.

Störungen an der DC-24V-Versorgung können durch Netzausfälle oder Netzschwankungen verursacht werden. In diesen Fällen helfen Puffermodule (z.B. UF20.241) oder DC-USVs (UB10.241).

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Viel kritischer sind jedoch lastseitige Ursachen für Spannungseinbrüche an der DC-24V-Versorgung. Verursacht zum Beispiel ein eingequetschtes Versorgungskabel einen Kurzschluss, fließt nahezu der gesamte Strom der Stromversorgung in diesen fehlerhaften Pfad. Eine schnelle Abtrennung dieses Pfades ist erforderlich um nicht gleich die gesamte Anlage lahmzulegen. Es muss auch nicht immer gleich ein Kurzschluss sein, oftmals verursacht auch das Zuschalten eines Verbrauchers mit großer Eingangskapazität einen ähnlichen Effekt.

In der Praxis gibt es typischerweise drei Arten von Verbrauchern, die in einer Maschine zusammenspielen müssen: empfindliche elektronische Verbraucher, robuste elektromechanische Komponenten und sicherheitsrelevante Stromkreise. Auch die gemeinsame Versorgung über eine einzige Stromversorgung ist längst gängige Praxis.

Besonders empfindlich sind die elektronischen Verbraucher, wie eine SPS, die bereits bei kürzesten Unterbrechungen der Versorgungsspannung einen Funktionsverlust erleidet oder einen ungewollten Neustart durchführt.

Die zulässigen Grenzwerte für die Überbrückungszeit und den Versorgungsspannungsbereich von Steuerungskomponenten sind in der EN 61131-2 festgelegt. Jede Abweichung davon ist kritisch.

Eigenschaften von getakteten Stromversorgungen

Ein Kurzschluss an einem Verbraucher stellt eine sehr niederohmige Belastung für die Stromversorgung dar und „saugt“ den größten Teil des Stromes bei verzweigten Systemen ab. Moderne, getaktete Stromversorgungen, die üblicherweise zur Erzeugung der DC-24V-Versorgungsspannung verwendet werden, schalten in solchen Fällen vom Spannungsregelmodus in den Strombegrenzungsmodus, um sich selbst zu schützen. Als Folge sinkt die Ausgangsspannung der Stromversorgung. Liegt der Wert der Strombegrenzung unterhalb der Auslösegrenze des Schutzelementes, wird dieses den Stromkreis nicht abschalten können. Klassische Leitungsschutzschalter oder Schmelzsicherungen sind hier in den meisten Fälle zu ungenau und benötigen außerdem ein vielfaches des Nennstroms zum schnellen Auslösen. Elektronische Lösungen sind hier viel besser geeignet.

Elektronische Sicherungen

Elektronische Sicherungen messen den Strom mittels eines Strommesswiderstands und verwenden als Schaltelement einen Halbleiter. Die ersten elektronischen Sicherungen kamen bereits vor etwa 10 Jahren auf den Markt. Diese Geräte hatten zwar exakte Stromabschaltwerte, jedoch nicht das gutmütige dynamische Verhalten von Leitungsschutzschaltern. Sie schalteten nicht selten schon bei betriebsbedingten Einschaltstromstößen ab und führten dadurch zu ungewolltem Maschinenstillstand. Displays, Motorsteuerungen und andere Verbraucher mit großen Eingangskapazitäten konnten nur eingeschaltet werden, wenn man überdimensionierte Amperewerte wählte.

Dieses Manko haben einige Hersteller bei den Geräten der aktuellen Generation abgestellt. Sie wurden unempfindlicher gegenüber dynamischem Strombedarf ausgelegt und können nun mühelos Kapazitäten von bis zu 20.000 μF zuschalten. Eine gewisse Angst aber bleibt bei allen, die damit bereits einmal ein Problem hatten. Eine Fehlauslösung kann ebenso Schaden anrichten wie ein Nicht-Auslösen bei einer Störung. Ein genaues Studium der Werte in den Datenblättern und praktische Versuche werden daher dringend empfohlen.

Zwei grundsätzlich Unterschiede bei elektronischen Sicherungen

Elektronische Sicherungen können entweder mit oder ohne aktive Strombegrenzung ausgestattet sein. Die einfachen Ausführungen beinhalten nur eine Stromüberwachung mit anschließender Abschaltung des Ausgangs. Dieses Konzept erlaubt zwar einen kostengünstigeren Aufbau der elektronischen Sicherung, belastet aber die speisende Stromversorgung deutlich mehr, da der Strom nahezu „ungebremst“ in den gestörten Strompfad fließen kann. Dementsprechend wenig Strom bleibt dann für die restlichen Verbraucher, sodass die Zeit bis zur Abschaltung sehr kurz gewählt werden muss um keine zu langen Spannungseinbrüche mit anschließenden Kettenreaktionen von Ausfällen auszulösen. Bei dieser Technik ist es empfehlenswert die einzelnen Strompfade nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt zuzuschalten. Damit werden die Einschaltstromspitzen entzerrt und die speisende Stromversorgung entlastet.

Die aufwändigeren Ausführungen elektronischer Sicherungen beinhalten eine aktive Strombegrenzung, die den maximalen Strom elektronisch auf etwa den 1,5- bis 1,8-fachen Nennwert begrenzt. Die speisende Stromversorgung wird damit deutlich weniger belastet. Die Zeit bis zur Abschaltung kann länger gewählt werden, was dieses Konzept unempfindlicher gegen kurze Lastspitzen macht und auch das Zuschalten von großen, kapazitiven Lasten erlaubt.

Auslöseverhalten von verschiedenen Sicherungselementen in der Praxis

(Archiv: Vogel Business Media)

Die nachfolgenden Oszillogramme zeigen die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Techniken zum Absichern von 24V-DC-Kreisen. Es wurde das Auslöseverhalten von 6A Schutzelementen in Verbindung mit einer 10A-Stromversorgung bei Kurzschluss untersucht. Alle Tests wurden mit einem einheitlichen Testaufbau gemacht.

Während bei den Tests 1-3 die 10A Stromversorgung bereits bei einem 6A-Schutzelement an ihre Grenzen stößt, kann bei Verwendung des PISA-Moduls problemlos ein 10A-Verbraucher versorgt werden ohne die Schutzwirkung dabei zu verlieren.

6A-Leitungsschutzschalter mit C-Charakteristik

(Archiv: Vogel Business Media)

Der Strom steigt auf knapp 100A an und der LS-Schalter öffnet nach ca. 3ms. Danach baut sich die Ausgangsspannung wieder auf. Dieses Verhalten ist hauptsächlich von der Leitungslänge bestimmt. Ist diese länger, steigt der Leitungswiderstand an und begrenzt den Strom. Die Abschaltung würde dann deutlich verzögert stattfinden, was einen langen Einbruch der Eingangsspannung bedeutet.

Elektronische Sicherung ohneStrombegrenzung: LOCC-Box mit 6A von Lütze

(Archiv: Vogel Business Media)

Diese Art von elektronischer Sicherung besitzt keine aktive Strombegrenzung. Der Strom fließt mit über 50 A nahezu ungebremst in den Kurzschluss. Dementsprechend schnell muss die Abschaltung erfolgen um Einbrüche auf der Eingangsspannung zu vermeiden. Die schnelle Abschaltung neigt zu Fehlauslösungen bei betriebsbedingten Einschaltstromstößen von Verbrauchern mit mittleren bis größeren Eingangskondensatoren.

Elektronische Sicherung mit aktiver Strombegrenzung: ESX10-T mit 6A von E-T-A

(Archiv: Vogel Business Media)

Hier wird der Ausgangsstrom vor der Abschaltung aktiv begrenzt. Die 6A-Sicherung ist für dynamische Vorgänge auf etwa den 1,8-fachen Nennwert eingestellt. In der Praxis misst man 12 A, die das 10A-Netzgerät auch ohne Spannungseinbruch liefern kann. Höhere Nennwerte als 6 A sollten aber nicht verwendet werden. Der dynamische Strom steht für 100 ms zur Verfügung. In dieser Zeit können problemlos auch große Kondensatoren geladen werden.

Absicherung mit dem PISA-Modul: Ausgangskanal mit 6A

(Archiv: Vogel Business Media)

Der Ausgangsstrom wird dynamisch auf typ. 25 A oder auf einen kleineren Stromwert, der eine minimale Eingangsspannung von 21 V sicherstellt, begrenzt. Die erste kurze Nadel mit etwa 25 A ist die Entladung der Ausgangselkos des Netzgerätes. Anschließend fließen 15 A. Das ist die Stromhöhe, die vom Netzteil geliefert werden kann ohne unter 21 V einzubrechen. Dank dieser eingangsspannungsabhängigen Strombegrenzung darf der gesamte Strom des Netzgerätes für Verbraucher verplant werden.

Der Grundgedanke des PISA-Moduls ist möglichst direkt und möglichst ohne Gefahr von Dimensionierungsfehlern die Versorgungsspannung für kritische Komponenten wie Steuerungen oder sicherheitsrelevante Stromkreise sicherzustellen. Dies wird erreicht, indem Verbraucher, die unempfindlich auf kurze Spannungsunterbrechungen reagieren oder die selbst die Ursache für Fehler auf der 24V-Versorgung sein können, über eine Schutzbarriere „isoliert“ werden.

Diese Schutzbarriere arbeitet wie ein Ventil. Es lässt nur soviel Strom durch, dass die Eingangsspannung (entspricht der Ausgangsspannung der Stromversorgung) nicht unter 21 V einbricht.

Damit wird eine sichere und unterbrechungsfreie Versorgung für kritische Verbraucher möglich, wenn diese an die gleiche Stromversorgung wie das PISA-Modul angeschlossen werden. Bei Bedarf können diese Verbraucher mit Standard-Leitungsschutzschaltern abgesichert werden. Hier geht es dann ja nicht mehr darum Spannungseinbrüche zu vermeiden, sondern um einen reinen Leitungs- und Geräteschutz.

Die Schutzbarriere im PISA-Modul arbeitet eigentlich ganz einfach: Es wurde die bei elektronischen Sicherungen übliche Stromüberwachung durch eine spannungsabhängige aktive Stromregelung ausgetauscht. Die daran angeschlossenen Verbraucher können dann gefahrlos den maximal möglichen, verbleibenden Strom nutzen, den die Stromversorgung zur Verfügung stellt.

Eine weitere Aufgabe des PISA-Modul ist die Verteilung des Stroms eines leistungsstarken Netzgerätes auf vier stromüberwachte Ausgänge. Damit ermöglicht man eine weitere Verkabelung mit kleineren Drahtquerschnitten. Jeder Ausgangskanal besitzt eine elektronische Strommessung. Wird ein zulässiger Kanalstrom oder der zulässige Gesamtstrom von 20 A für das Modul überschritten, begrenzt das Modul alle Ausgangsströme und schaltet alle vier Ausgänge zeitverzögert ab. Es stehen verschiedene Module für unterschiedliche Strömen zur Verfügung (von 4×1A bis 4×10A, sowie gemischte Module mit 2×3A +2×6A und 2×6A + 2×10A).

Schutz kleiner Leitungsquerschnitte

Jeder Ausgang des PISA-Modul ist intern mit einer fest eingelöteten Schmelzsicherungen versehen. Diese entsprechen der UL 248. Einer Absicherung ist damit gemäß UL508A §31.1.2 (Branch circuit Protection) Genüge getan. Der Trick an der Sache ist nun, dass die Elektronik im PISA-Modul immer schneller reagiert und abschaltet als die Schmelzsicherung ansprechen kann.

Für die Zuordnung von Ausgangstrom und Kabelquerschnitt sind die einschlägigen Vorschriften zu beachten. In den meisten Fällen sind dies die VDE 0891, VDE 0100-523 und die IEC/EN 60204-1.

In typischen Anwendungen können folgende Leitungsquerschnitte verwendet werden:

  • ≥0,14 mm2 für 1A-Ausgänge;
  • ≥0,25 mm2 für 2A-Ausgänge;
  • ≥0,34 mm2 für 3A-Ausgänge;
  • ≥0,5 mm2 für 4A-Ausgänge;
  • ≥0,75 mm2 für 6A-Ausgänge;
  • ≥1,0 mm2 für 10A-Ausgänge.

PISA-Modul setzt neue Messlatte bei den Kosten für elektronische Sicherungen

Ein Argument gegen elektronische Sicherungen sind oftmals die deutlich höheren Kosten im Vergleich zu den gewohnten klassischen Leitungsschutzschalter. Aus diesem Grunde war es bei der Entwicklung des PISA-Moduls ein wichtiges Ziel die Kosten so weit wie möglich zu optimieren.

Eine Maßnahme hierfür ist der Aufbau als 4-kanäliges Modul. Das spart Mechanik, Elektronik und Verkabelung. Eine weitere Maßnahme ist die Sammelabschaltung aller Ausgänge bei einer Störung. Die Sammelabschaltung erfordert zwar etwas Überlegung, ob die zusätzlich abgeschalteten Ausgänge ein Problem darstellen könnten oder nicht, in den meisten Fällen ist die Angst jedoch unbegründet. Wenn zum Beispiel ein Motor blockiert, ist es auch nicht mehr relevant ob ein weiterer Motor oder Schütz versorgt wird oder nicht. Wichtig ist es, dass die Steuerung am Leben bleibt und dass sie die vorprogrammierten Aktionen für diesen Fall ausführen kann.

Diese Sammelabschaltung hat auch Vorteile. Die dynamischen Eigenschaften sind pro Modul und nicht pro Ausgang spezifiziert. Ist ein Ausgang nur mit einer „harmlosen“ Last beschaltet, profitieren die anderen Ausgänge davon. Diese dynamische Flexibilität verringert die Gefahr von Fehlauslösungen.

Das Ergebnis der Kostenoptimierung kann sich sehen lassen: Die Kosten für ein PISA-Modul betragen etwa die Hälfte der Kosten der marktüblichen 4-kanäligen elektronischen Sicherungsmodule oder sind nur geringfügig höher als die Summe aus vier klassischen Leitungsschutzschaltern mit Hilfskontakt (Listenpreis etwa 7 Euro/Stück). Bei diesen Kosten tut es auch nicht so weh, wenn mal ein Kanal nicht benutzt wird.

Richtige Dimensionierung von Stromversorgung und Sicherungselementen

Nur eine durchdachte 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 wählen. Elektronische Sicherungen sind zwar genau im Auslösestrom spezifiziert, brauchen aber für eine Schnellabschaltung dynamisch üblicherweise den 1,5 bis 1,8fachen Nennstrom, um ausreichend unempfindlich zu sein. Die Stromversorgung muss also für diesen „Reservestrom“ überdimensioniert werden, ansonsten ist die Schutzwirkung und Selektivität fraglich.

Hat man zum Beispiel zwei Verbrauchergruppen die jeweils 1 A Nennstrom benötigen und zwei Weitere mit jeweils 3,5 A, wird man in der Regel zwei elektronische Sicherungen mit 2 A und zwei mit 6 A wählen. Im Normalfall fließen 9 A. Hat dann eine 3,5A-Gruppe einen Fehler oder Kurzschluss, braucht die 6A-Sicherung 9 A zum Auslösen. Zusätzlich mit den anderen drei Verbrauchergruppen muss die DC-24V-Stromversorgung zur Abschaltung der fehlerhaften Gruppe also 14,5 A liefern können. Der erforderliche Reservestrom wird von der Sicherung mit dem höchsten Amperewert bestimmt und ist in diesem Fall 5,5 A. In der Praxis wird man für dieses Beispiel eine 20A-Standardstromversorgung wählen müssen, obwohl der Nennstrom nur 9 A beträgt.

Eine weitere Gefahr lauert hier, wenn während der Betriebszeit eine Anlage modifiziert oder erweitert wird. Zu diesem Zeitpunkt denkt man nicht mehr an den erforderlichen „Reservestrom“ und belastet die Stromversorgung bis zum erlaubten Nennstrom. Im Störfall geht dann die Stromversorgung in Begrenzung, bevor die Sicherung den fehlerhaften Pfad abschalten kann.

Viel einfacher ist es bei der Verwendung des neuen PISA-Module:

Hier ist kein „Reservestrom“ erforderlich und man kommt mit einer 10A-Standardstromversorgung aus. Im Ernstfall würde der fehlerhafte 3,5A-Kreis die Stromversorgung in den Strombegrenzungsmodus bringen und die Spannung leicht einbrechen lassen. Das PISA-Modul überwacht aber diese Spannung und verhindert, dass sie unter 21 V absinkt, indem es den Ausgangsstrom begrenzt. Die Begrenzung bleibt für einige Zeit bestehen, bevor das PISA-Modul die Ausgänge abschaltet, falls die Störung sich in dieser Zeit nicht auflöst. Eine Versorgung von empfindlichen elektronischen Verbrauchern wie Steuerungen ist dann lückenlos gegeben. Mit dieser Eigenschaft ist auch eine Fehldimensionierung, wie im vorangegangenen Beispiel beschrieben, erst gar nicht möglich.

Michael Raspotnig, Senior Design Engineer, Puls

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