Elektronische Lastrelais (ELR) - Wirkungsweise und praktischer

Technik
Best.-Nr. 17 67 02
Walter Brünnler
Elektronische Lastrelais (ELR) Wirkungsweise und praktischer Einsatz
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 Optokoppler erreicht. Prellfreies Schalten, Einschalten im Spannungsnulldurchgang und Abschalten im Stromnulldurchgang verringern Funkstörungen. Geringe Steuerleistungen ermöglichen das
direkte Ansteuern mit integrierten Schaltungen.
Nullpunktschalter
Bei elektronischen Lastrelais mit Nullpunktschalter wird V7 nur dann gezündet, 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 nächsten Halbwelle gesperrt, wodurch eine
Einschaltverzögerung von nahezu einer Halbwelle entstehen kann [l].
Wirkungsweise des ELR
Den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines ELR zeigt Bild 2. Der Steuerkreis Dipl.-Ing. (FH) Walter Brünnler,
Siemens AG,
besteht aus der Lichtemitterdiode
(LED) V2 des Optokopplers, die in Bereich Kommunikationstechnik,
Entwicklung Komponenten, München
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
Schaltkreis
wird. Der Eingang ist TTL-kompatiSchallstrom
bel. Im Schaltkreis übernimmt der
Schaltspannung
Triac V7 oder zwei antiparallele Tyristoren die Lastschaltung. Das bei allen
Schaltspannungsbereich
ELR eingebaute RC-Glied (R7/Cl)
Höchste period. Spitzensperrspannung
parallel zum Ausgang erlaubt den BeFrequenzbereich
trieb induktiver Lasten und dämpft in
einem gewissen Umfang die im WechStoßstrom-Grenzwert. während 1 Periode
50 Hz. nur gelegentlich zul. Scheitelwert
selstromnetz auftretenden Störspannungen. Die galvanische Trennung
Min. Schaltstrom (Haltestrom1
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 Kritische Spannungssteilheit
der Steuerspannung fließt der SchaltKrit. Kommutierungs-Spannungssteilheit
strom zunächst bis zum NulldurchKritische Stromsteilheit di/dt
gang weiter, der Triac V7 wird nicht
Grenzlastintegral, 10 ms
mehr gezündet und es verbleibt nur
noch ein geringer Leckstrom.
Ansprechverzögerung
Schutzdiode im Steuerkreis
Da die Sperrspannung der LED niedrig
ist, kann ein falschgepolter Anschlug
oder eine der Steuerspannung überlagerte Störspannung zur Zerstörung
23
hl
3
V,fl
240
V.ff
2 4 -280
V,
6cQ
HZ
47. 63
A,
mA.,,
100
1
50
74
(
I
50
10
25
90
235
l
70
Vlps
ms
max. 1 Halbwelle (Nullpunktschaltg.)
Steuerspannung
V-
3...30
Ansprechwert
V-
Abfallwert
V-
Steuerstrom
m A
Steuerkreis
<3
>l
>O,8
<20
Technik
EIngang. Sleuerkrels
t
us, Steuerspannung
Bild 2
Vereinfachtes
U, Schaltspannung
Last
UN Netzspannung
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 HFSpannung 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 PrintPlatteneinbau 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.
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:
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 FunkEntstörfilter notwendig sind.
. Der bei Phasenanschnittsteuerune
sprungartige Spannungsanstieg kann
andere Verbraucher, insbesondere weitere Triac- oder Thyristorsteuerschaltungen, stören.
0
Schaltstrom
Dabei bedeutet:
Ptot
Gesamtverlustleistung
(s. Kennlinien Bild 4)
0
0
P
s,
Sperrschichttemperatur
%JC
Innerer Wirmewiderstanddes
ELR (Sperrschicht/
Gehäusegnmdpl.ac)
BC
Temperatur der
Geh~usegrundplarre
Ecn
wbergmgswärmerviders~~d
(ELR/Kiihlkörper)
4i
Temperatur des Kühlkörpers
RhM
4
110
2,1
S chaltstrom
’ 30
1 A
20
V23100-SO302
-AZ10
-A225
KhCK
Kühlkörpers in K/W
Kühlkorperwärmewiderstand
TY P
&JC
+ Umgebungstemperatur
P Schaltstrom als Funktion der
Umgebungstemperatur
Paramerer: Wärmewiderstand des
- Max zu1 Gehausetemperatur
mA240
b Schaltstrom als Funktion der
Gehäusetemperatur (Meßstelle Mitte der
Grundplatte)
“C
1,3
s. Angabe tiber
Wärmeleitpaste, im
allgemeinen 0,l
-2-
1.1
KPW
K/W
1
Bild 3 Belastungskcnnlinicn für das ELR
V23100-S0302-A225
Technik
, Für ELR V23100-S0302-A210
b Für ELR V23lCGS0302-A225
: Für ELR V23100-S0302-A240
- A 210
>
'O'
t
c
-A225
b
15
40
P
M 35
W
T
wa
30
30
10
0
Bild 4
5
A
IO
0
5
10
15
20
A 25
0
10
20
30
A
40
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
vorausSchaltungsdimensionierung
geht. 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.
Technik
a llfacher Einschaltstrom einer Iod-WGlühlampe 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)
Schaltmagnete
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
ELR liegt, sind kaum Uherlastungen
durch Stromspitzen zu erwarten. Andernfalls ist die zulässige Uberlastung
für den Einzelfall festzulegen.
Schaltmagnete weisen oft kurze Einschalt- oder Abschaltzeiten auf. Falls
sie beim Betrieb mit ELR zum Flattern
neigen, sind erhöhte Störspannungen
im Netz zu vermuten, die das ELR für
den Bereich einer Halbwelle oder weniger unterbrechen. Hier sind zur Abhilfe gegebenenfalls externe, parallel
zum Ausgang und eventuell auch zum
Eingang geschaltete RC-Kombinationen, z.B. 0,l pF/100 R, wirksam. Bei
sehr steilen Störspannungsflanken
kann in Einzeilällen diese Beschaltung
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
V2310040232-B302[3] besser eignet.
Eine weitere Möglichkeit besteht im
Einsatz des ELR V23100-S0033-B105
mit hochsperrenden Thyristoren im
Schaltkreis.
-
Motoren
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
Bemessung die optimale Lösung
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
Mittelpunktleiter mit angeschlossen,
dann sind drei ELR mit der niedrigeren
Schaltspannung von 240 V erforderlich
(Bild 9).
Abschalten
induktiver
Verbraucher
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.
3xELR
r---i
2xELR
38OV-
Ll
L2
L3
N
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
-4-
1
TECHNISCHE DATEN
T
RELAIS TYP
LASTSTROM-DIAGRAMME
2240010
2120010
Lastkreis
Betriebsspannungs-Bereich
(f = 25.65 Hz, 400 Hz auf
Anfrage)
Periodische
SpitzenspannunglJ
240V-Tyr
1 POV-Tyr:
24 - 280 V-
240V-Ty6
,20V.Tyr:
500 v
25av
Max. Dauerlaststrom 2)
Min. Laststrom
12.14ov-,
10 A
50 mA
Stoßstrom für 20 ms
siehe auch Seite 12 Diagramm-Kurve Nr. .
1lOA
Spannungsabfall bei max. Laststrom
4
1,6 V
Thermischer Widerstand
4K/W
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
> 200 Vlus
O,l/iW
0.1/100
4000 Veff
1 WIA
5OA*s
15mA
Isolationswiderstand
loLO n
Ansteuerkreis
Einschaltspannungs-Bereich
Ausschaltspannung
3-32V=
1 v=
Schaltzeiten siehe Bemerkung:
Eingangswiderstand
4
100052
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
19231
IlOA
1
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; 3 @ 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!].
-5-
TYPISCHE APPLIKATIONEN
Schaltung eines Drehstromverbrauchers ohne
Mittelpunktsleiter
Schaltung von Magnetventilen, Lampen
Schütze und Motoren etc.
Relais-Vorzugstyp: 480DlO-12
480D1512
. zrn
“--
-
l
*
Steuerschaltung für Drehstrom-Motor mit Umkehrbetrieb
Achtung! Zur Vermeidung eines Kurzschlußes
im Umschaltaugenblick ist während
des Umschaltvorganges eine Totzeit
von 1Oms zu gewährleisten.
-6-
Schaltung eines Drehstromverbrauchers mit
Mittelpunktsleiter