Ein/Aus-Steuerung von Wechselstrom

BAUELEMENTE
Ein/Aus-Steuerung von
Wechselstrom-Verbrauchern
geringer Leistung
Laurent Gonthier Verbraucher in Hausgeräten (z.B. Waschmaschinen, Kühlschränke) werden mit Netzspannung betrieben und im Ein/Aus-Verfahren gesteuert – meist mit Hilfe von Relais oder Triacs. In der Regel muss die Schaltfunktion
für die direkte Ansteuerung durch einen Mikrocontroller geeignet sein und eine hinreichende Beständigkeit gegen
Spannungsspitzen auf dem Wechselstromnetz aufweisen, damit die neuen europäischen EMV-Vorschriften erfüllt werden. Die ACS-Produkte von STMicroelectronics sind für diese Anforderungen konzipiert. Im Unterschied zu einem Triac
kann ein ACS mit Logiksignalen angesteuert werden und zeichnet sich durch hohe Robustheit aus. Außerdem lässt sich
mit ihm die Leiterplatte für die elektronischen Funktionen erheblich verkleinern.
D
as von STMicroelectronics entwickelte ASD-(Alternating Current Switch)Konzept bietet die Möglichkeit, auf einem einzigen Siliziumchip mehrere aktive Bauelemente wie etwa Dioden,Thyristoren und Transistoren sowie bestimmte passive Bauelemente zu einer kompletten Funktion zu kombinieren. Man
nutzte diese Technologie zur Entwicklung der neuen ACS-Strukturen (Bild 1).
Haupt-Einsatzgebiet dieser neuen Bauelemente ist das Schalten von Verbrauchern wie etwa Elektromagneten, deren
serielle Induktivität bis zu einigen zehn
Henry betragen kann, wodurch das Abschalten unter Umständen viele Probleme verursacht. Wie im zweiten Abschnitt beschrieben, bietet die Klemmfunktion des ACS die Möglichkeit, direkt
und ohne externe Klemmschaltung (z.B.
einen Metalloxid-Varistor) beliebige induktive Lasten anzusteuern. Außerdem
verkraftet ein ACS auch die auf dem
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Wechselstromnetz
vorkommenden
Überspannungen.
Halbleiterbausteine werden jedoch
nicht nur mit
Stoßspannungen
konfrontiert, sondern auch mit steilen Spannungspitzen (siehe EN61004-4). Sie müssen
deshalb nicht nur Bild 1: ACS bezeichnet eine Kombination aus einem inteeine leistungsfähi- grierten Treiber, einer Klemmschaltung und einem bidirekge Klemmfunktion tionalen, thyristorähnlichen Schalter
besitzen, sondern
auch hohe dU/dt-Werte verkraften. Die Unterschied zum Triac die sichere direkin diesem Beitrag wiedergegebenen te Ansteuerung des Gate mit Hilfe eines
Versuchsergebnisse dienen dem Ver- Mikrocontrollers ermöglicht.
gleich der von ACS-Bausteinen und
Triacs unterschiedlicher Gate-Empfindlichkeit maximal verkrafteten Werte.
Schließlich wird erläutert,wie ein ACS im
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Abschalten
induktiver Lasten
Bild 2: ACS können den Haltestrom auch bei Überspannungen verkraften
Bild 3: Die 2-kV-Spannungsspitze tritt bei diesem temperaturaktivierten Türverriegelungssystem zeitgleich mit dem Spannungsmaximum auf
Magnetventile und Relais
zählen zu den elektromagnetischen Bauelementen. Beim Betrieb mit hohen Wechselspannungen
stellen die Wicklungen
dieser Bauelemente sowohl einen hohen Serienwiderstand von einigen Kiloohm als auch eine hohe Serieninduktivität von einigen zehn
Henry dar, wodurch sie
nur einen geringen Effektivstrom von typisch 10
bis 50 mA aufnehmen.
Die Abfallrate des Stroms
ist in diesem Fall gering,
und es kann zu einem automatischen Abschalten
des Schalters kommen,
wenn der Strom geringer
wird als der Haltestrom.
Da durch den induktiven
Verbraucher nach wie vor
ein Strom fließt, kann eine
Überspannung entstehen. Die induktive Energie erzeugt deshalb eine
Gegen-EMK-Spannung,
die das Bestreben hat,
den Schalter in den leitenden Zustand zu bringen. Wird diese Überspannung nicht begrenzt, kann sie größer
werden als die Durchbruchspannung des Bausteins und ihn beschädigen. ACS-Bausteine sind
prinzipbedingt
gegen
Überspannungen
geschützt (Bild 2).
Der Standard
IEC1000-4-5
Bild 4: Vergrößerte Darstellung aus Bild 3
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Der Standard EN61000-45 dient der Prüfung, ob
ein System nach einer
Spannungsspitze
auf
dem Stromnetz funktionsfähig bleibt. Hierzu
wird ein Standard-Spannungsverlauf verwendet,
der den typischen Überspannungen durch Blitzschlag oder das Abschalten induktiver, am Netz
betriebener Verbraucher
entspricht.
Da die Spannungsspitze
zwischen Phase und Nullleiter genau im Span- E
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Bild 5: Netzspannung während eines 2-kV-Burst ohne Filter
Bild 6: Netzspannung während eines 2-kV-Burst mit Filter
nungsmaximum auftreten kann, sind
Spannungen bis zu 2,4 kV möglich, die
die Durchbruchspannung der in den
Geräten eingesetzten Halbleiterbausteine übersteigen. Damit eine Beschädigung der Halbleiter vermieden wird,
schützt man sie mit Hilfe parallelgeschalteter Varistoren.
Wird ein abgeschalteter ACS-Baustein
einer Überspannung ausgesetzt, so wird
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diese von dem Bauelement zunächst
geklemmt. Ein übermäßiger Energieimpuls kann jedoch dennoch dazu führen,
dass der Strom durch das ACS-Element
den Breakover-Strom übersteigt. Der
Halbleiter wird dadurch im BreakoverModus leitend. Eine solche Situation
stellt für den Halbleiterbaustein besonders dann eine immense Belastung dar,
wenn sowohl der Strom als auch seine
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Bild 8: Das Histogramm gibt die Resultate der mit jeweils 16 verschiedenen Bauelementen der einzelnen Typen angestellten Versuche wieder
Anstiegsrate hoch sind. Der ungünstigste Fall ist gegeben, wenn ein ACS eine
nicht induktive Last mit niedrigem
ohmschen Widerstand ansteuert.
Die Bilder 3 und 4 wurden an einem
temperaturaktivierten
Türverriegelungssystem bei niedriger
Temperatur aufgezeichnet. Die 2-kVSpannungsspitze ist der Netzspannung
von 230 V/50 Hz überlagert und tritt
zeitgleich mit dem Spannungsmaximum auf (Bild 3). In Bild 4 ist das Einschalten des Bausteins unter diesen
Umständen vergrößert dargestellt. Da
der Verbraucher vorher abgeschaltet
war, ist sein Widerstand kalt und hat
demzufolge einen Wert von 150 Ω. Der
Strom steigt deshalb mit 100 A/µs und
erreicht einen Wert von 15 A. Derartige
Stoßströme würden einen Triac zerstören, nicht jedoch einen ACS, der in einem solchen Fall im Breakover-Modus
leitend wird. Anders als bei Triacs ist bei
einem ACS kein parallelgeschalteter Varistor nötig. Der Unterschied zwischen
einem ACS und der Kombination aus
Triac und Varistor besteht darin, dass der
Verbraucher im Falle des ACS für eine
halbe oder eine ganze Netzperiode eingeschaltet wird. Dies ist jedoch akzeptabel, da es während der Lebensdauer eines Systems nur wenige Male vorkommt.
Prüfung der Immunität gegen
steile Spannungsspitzen
Für die Tests gemäß EN61000-4-4 werden zwei verschiedene Arten der Belastung verlangt. Der Supply Test sieht vor,
dass die Spannungsspitzen über 33-nFKondensatoren an die Phase, den Nullleiter oder die Masse (oder Kombinationen dieser Leiter) gegeben werden. Im
zweiten Test werden die Spannungsspitzen über einen typischen (mit Hilfe
eines Aluminiumblechs hergestellten)
100-pF-Kondensator direkt an die I/OPorts des Systems gelegt. Der I/O-PortTest ist eigentlich für Systeme mit Steuerleitungen vorgesehen, wie z.B. die Leitungen zwischen Tastatur und Zentraleinheit bei einem Computer. Geräteher-
Bild 7: Wird ein Filter verwendet, geht die durch die 2-kV-Spannungsspitze verursachte Überspannung auf 584 V zurück
E
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Bild 9: Der Baustein kann durch zu steile Spannungsflanken einschalten
steller setzen jedoch ähnliche Tests ein,
um sich davon zu überzeugen, ob ihre
Produkte gegen steile Spannungsspitzen immun sind. In beiden Fällen wird
das zu prüfende System 10 cm über der
Bezugsebene des Burst-Generators angeordnet. Da die Spannung in 5 ns ansteigt und in 50 ns abfällt, ist die aus der
parasitären Kapazität zwischen SystemLeiterplatte und Bezugsebene resultierende Impedanz für diese in hohem
Maße dynamischen Wellenformen sehr
gering. Dies hat zur Folge, dass große
Teile der Spannungsspitzen direkt am
Netzstecker des zu prüfenden Systems
auftreten. Bild 5 und Bild 6 zeigen die
zwischen Phase und Nullleiter gemessene Spannung während des 2-kV-Tests.
Wie man sieht, erreicht die Spannung
Werte bis zu 1,4 kV, wenn der Netz-Eingang des Systems mit keinem Filter versehen wird. Wird dagegen ein Filter
gemäß Bild 7 verwendet, geht die durch
die 2-kV-Spannungsspitze verursachte
Überspannung auf 584 V zurück. Dieser
Wert ist kleiner als die Durchbruchspannung der meisten in 230-V-Geräten verwendeten Triacs sowie der neuen ACSBausteine. In diesem Fall kommt es zu
keiner ungewollten Zündung infolge
des Einschaltens im Breakover-Modus.
Allerdings zeigt Bild 7 auch, dass trotz
der in ihrer Höhe begrenzten Überspannungen nach wie vor steile Spannungsflanken existieren. Die Überspannung
geht beispielsweise in weniger als 10 ns
unter die Marke von 500 V zurück. Die
verwendeten Halbleiterbauelemente
müssen deshalb eine hohe Beständigkeit gegen steile Spannungsflanken aufweisen, damit es zu keinem ungewollten Einschalten kommt. Im folgenden
Abschnitt sind einige vergleichende
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Analysen zwischen Triacs und ACS-Elementen beschrieben.
Vergleich zwischen ACS
und Triac
Die Tests werden mit folgenden Rahmenbedingungen durchgeführt:
e Leiterplatte
10 cm über der Bezugsebene.
e Der Netzstecker ist mit dem in Bild 7
beschriebenen Netzfilter versehen.
e Die Leiterplatte ist mit vier Triacs (bzw.
ACSs) bestückt.
e Die A2-Anschlüsse der Triacs bzw. die
OUT-Anschlüsse der ACS-Elemente
sind mit einer 25-W-Glühlampe verbunden. (Es wird eine ohmsche Last
verwendet, um die Steilheit der
Stromflanke beim Einschalten nicht
zu reduzieren.)
e Jedes Gate ist über einen 470-Ω-Widerstand mit dem A1- (Triac) bzw.
COM-Anschluss (ACS) verbunden, damit es zu keinen ungewollten, durch
den Mikrocontroller ausgelösten Zündungen kommt.
e Triacs und ACSs werden nicht mit Entlastungsnetzwerken (Snubber-Schaltungen) versehen.
e Der Burst-Generator wird gemäß den
Vorschriften des EN6100-4-4-Standards programmiert (Burst-Dauer
15 ms, Burst-Frequenz 3 Hz, Frequenz
der Spannungsspitzen 5 kHz).
Der Hochspannungsausgang des BurstGenerators wird wie folgt angeschlossen:
e Im Fall des ‚Plug-Tests‘ an einen 33-nF-
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um Störungen durch das Bürstenfeuer des UniversalmoACS102-5TA
Z0107MA Z0109MA
DEVICE
tors zu vermeiden, Triacs und
ACS-Baustein mit einer Gate› 4,5 kV
› 4,5 kV
› 4,5 kV
4 kV
minimal verkrafteter Pegel
Empfindlichkeit von 5 mA die
gestellten Anforderungen erTabelle 1: Minimale Burst-Pegel vor Einschalten der Bauelemente im I/O-Test
füllen. Einige Hersteller jedoch setzen die Burst-Pegel
Kondensator, dessen anderer An- bis zu 3,7 kV, während das mit dem auf 2 kV herauf. In diesem Fall können
schluss mit L, N, Masse oder mehreren ACS402 für bis zu 4 kV geeignet ist.
ausschließlich ACS-Elemente die Anfordieser Anschlüsse verbunden ist (ent- Der verwendete Generator kann ledig- derungen erfüllen, da es bei Triacs infolsprechend der Norm EN61000-4-4).
lich Bursts bis zu 4,5 kV erzeugen. Bei ei- ge der steilen Spannungsflanken zu eie Im Falle des ‚I/O-Tests‘ mit sechs disnigen Bauelementen des Typs ACS108 nem ungewollten Einschalten kommen
kreten 100-pF-Kondensatoren, deren und ACS405 reichte dies nicht aus, um kann. Hier wäre eine Snubber-Schaltung
andere Anschlüsse mit den vier A2- ein Einschalten zu provozieren. Bild 9 zur Glättung der Flanken nötig. Dem De(bzw. OUT-), L- und N-Anschlüssen belegt die Aussage des vorigen Ab- signer stehen dabei folgende Alternativerbunden ist (zur Simulation der schnitts, dass der Baustein durch zu stei- ven zur Wahl:
koppelnden Aluminiumfläche).
le Spannungsflanken einschalten kann.
Aus der Abbildung geht hervor, dass der e Reduzierung der dU/dt-Werte: Snubber-Schaltung mit hoher Kapazität
Für jede Kopplungsart wird ein Test von Z0109MA bei einem 2-kV-Burst und eiund geringem Widerstand.
einer Sekunde Dauer durchgeführt. Ge- ner Flankensteilheit von 17 kV/µs in der
messen wird der minimale Burst-Pegel, Plug-Test-Konfiguration
einschaltet. e Herabsetzung der dI/dt-Werte beim
Einschalten: Snubber-Schaltung mit
der eine ungewollte Zündung an einem Auch die ‚I/O-Tests‘ wurden durchgeniedriger Kapazität und hohem Wider vier Bauelemente auslöst (Bild 8). Es führt. Der Unterschied zwischen Triacs
derstand.
werden stets Triacs und ACS-Bausteine und ACS-Bausteinen ist hier schwieriger
mit gleicher Gate-Empfindlichkeit verg- zu demonstrieren, da die meisten Baulichen. Für einen maximalen Gate-Strom elemente Bursts verkraften, die von dem ACS-Bausteine kommen nicht nur ohne
von 5 mA wurden Triacs vom Typ verwendeten Generator (max. 4,5 kV) Varistoren aus, sondern reduzieren auch
Z0107MA sowie ein ACS102-5TA ver- nicht mehr erzeugt werden können. Ta- dien Entwicklungszeit und erhöhen die
wendet. Bei einem maximalen Gate- belle 1 gibt eine Übersicht über die Er- Zuverlässigkeit der Elektronik-Leiterplatte.
(jj)
Strom von 10 mA kamen Triacs des Typs gebnisse dieser Versuche.
Z0109MA und die ACS-Bauelemente
ACS108-5SA / ACS402-5SB4 zum Einsatz. Sämtliche genannten Bauelemente Fazit
besitzen TO92-Gehäuse, mit Ausnahme
des ACS402-5SB4, der über ein Gehäuse Die Norm verlangt, dass Systeme am öfder Bauart DIL20 verfügt. Man sieht, dass fentlichen Stromnetz bei Burst-SpanSTM
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die Verwendung eines ACS-Arrays an nungen bis zu 1 kV störungsfrei arbeiStelle mehrerer separater Bauelemente ten. Es hat sich gezeigt, dass durch den
bezüglich der Störimmunität vorteilhaft Einsatz der Netzfilter,die in Wachmaschi- Laurent Gonthier ist Mitarbeiter der STist.Das Board mit dem ACS108 verkraftet nen üblicherweise eingebaut werden, Microelectronics
ACS108-5SA &
ACS402-5SB4