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Blitzüberspannungen und Stromstörungen im Wechselstromnetz können zahlreiche elektronische Geräte in ihrer Funktion beeinträchtigen. Die Schäden, die durch Überspannungs- und Überstromereignisse verursacht werden, können kostspielige Ausfallzeiten und hohe Reparaturkosten zur Folge haben und dazu führen, dass das Vertrauen der Kunden in den Hersteller sinkt.

Wir brauchen daher einen neuen Ansatz für den Schutz von AC-Eingängen, der den Entwicklern die Möglichkeit bietet, robuste und anforderungsgerechte Schutzschaltungen zu integrieren. Ein solches Schutzverfahren reduziert die Beeinträchtigung des regulären Betriebs einer Anwendung auf ein Minimum und trägt dazu bei, die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern.

Beim neuen koordinierten Schutzverfahren für Stromkreise kommt ein neuartiger Hybridschutz zum Einsatz. Ein Vergleich der Restspannung des universellen AC-Leistungsschutzes mit 14-mm- und 20-mm-MOVs zeigt, dass die Spannung nicht mit dem Strom ansteigt, wie dies bei Varistoren der Fall ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: Restspannung des universellen AC-Leistungsschutzes im Vergleich zu Varistoren

Dies gelingt durch die präzise Koordinierung mehrerer Schutzkomponenten im Stromkreis, wobei jede Komponente die jeweils benachbarten Komponenten schützt.

Anforderungen an den AC-Leistungsschutz

Derzeit gibt es keine Lösung für den Überstrom- und Überspannungsschutz zur Bereitstellung einer universellen Leistung, mit der die Geräteentwickler die Sicherheitsanforderungen erfüllen können. Dazu ist ein System nötig, das unabhängig von der Intensität des Überspannungseingangs einen absoluten Maximalspannungsschutz bietet und so die Anforderungen an den Entwicklungsspielraum und die damit verbundenen Kosten für nachgelagerte Stromkreiskomponenten reduziert. Der ideale Stromkreisschutz muss sich automatisch in jedem Halbzyklus zurücksetzen und somit bei Bedarf einen dauerhaften Schutz bieten. Für einen universellen AC-Leistungsschutz muss der optimale Überspannungsschutz auch den Leistungsdurchlass begrenzen, um Brände im Falle eines Komponentenausfalls oder einer Beschädigung zu verhindern.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Bourns mit der IsoMOV-Baureihe eine neue Hybrid-Schutzkomponente entwickelt, die als koordinierte Eigenschutzlösung in Verbindung mit SinglFuse SMD-Sicherungen, TBU High Speed Protector (HSP)(Hochgeschwindigkeits-Schutzvorrichtung) und TISP Thyristor-Überspannungsschutzkomponenten arbeitet. Dieser koordinierte Ansatz eignet sich für unternehmenskritische Anwendungen, bei denen ein Ausfall inakzeptabel oder der Service kompliziert ist, und konditioniert die in bestimmten rauen Umgebungen gelieferte Wechselspannung, um die Geräte vor Spannungsspitzen, Spannungsüberhöhungen oder Überspannungen zu schützen. Das Schutzsystem, bei dem die IsoMOV-Komponente zum Einsatz kommt, steigert die Zuverlässigkeit, verbessert die Systembetriebszeit und reduziert Lebenszykluskosten sowie Gewährleistungsprobleme.

Abbildung 2: Stromlaufplan für den universellen AC-Leistungsschutz

Abbildung 2 zeigt ein Grundschema der Schutzschaltung. Die Netzspannung wird an den linken Anschluss angelegt, und das zu schützende Gerät wird an den rechten Anschluss angeschlossen. Die Funktionsweise der Schaltung lässt sich am besten beschreiben, wenn man von rechts nach links vorgeht, beginnend mit dem TISP-Element. Dieser Thyristor wird ausgelöst, wenn die Spannung an der geschützten Last seine Durchschlagspannung überschreitet. Bei der Auswahl eines TISP-Elements ist die Durchschlagspannung entscheidend, um Schäden durch eine zu hohe Spannung im geschützten Stromkreis zu vermeiden. Dadurch kann die maximale Spannung, die für den Schutz des angegebenen Stromkreises erforderlich ist, präzise ausgewählt werden.

Im Folgenden sind die einzelnen Schritte für den universellen AC-Leistungsschutz aufgeführt:

1. Wenn das TISP-Element durch ein Spannungsereignis ausgelöst wird, schließt es die Wechselstromleitung kurz. Durch die übermäßige Stromaufnahme wird das TBU HSP-Element in den Blockierzustand versetzt. Wenn dieses Element den übermäßigen Strom blockiert, werden die geschützte Last und das TISP-Element vom Wechselstromnetz getrennt und somit beide vor Schäden geschützt.
2. Während das TBU HSP-Element den Strom blockiert, kann die Eingangsspannung weiter ansteigen, bis die IsoMOV-Hybrid-Schutzkomponente auslöst und die Spannung unter die maximale Sperrspannung des TBU HSP-Elements begrenzt.
3. Falls die Spannung weiter ansteigt, bis der durch das IsoMOV-Element fließende Strom den Überspannungsnennwert des Elements überschreitet, öffnet sich das SinglFuse-Element und trennt den Stromkreis dauerhaft vom Wechselstromnetz.

Wenn die geschützte Last versucht, mehr als den Auslösestrom des TBU HSP-Elements zu ziehen, geht das Element in den Blockierzustand über und der Stromkreis verhält sich wie zuvor (Schritte 2 und 3). Wenn die Eingangswechselspannung den Nullpunkt überschreitet, wird der Stromkreis in den Ausgangszustand zurückgesetzt. Er kann entweder den regulären Betrieb wieder aufnehmen (typisch für einen Blitzschlag) oder bei der nächsten Halbwelle erneut ausgelöst werden (typisch für eine Spannungsüberhöhung, Abbildung 3).

Abbildung 3: Darstellung der Funktionsweise des universellen AC-Leistungsschutzes bei Netzspannungsschwankungen

Abbildung 3 zeigt die Reaktion des Stromkreises auf eine Spannungsüberhöhung im Wechselstromnetz. Das eingesetzte TISP-Element aktiviert etwa 220 V – ein typischer Wert, der für 120-VAC-Netzleitungen gewählt wurde. Die angelegte Überspannung ist auf etwa 200 VAC eingestellt. Wie oben dargestellt, folgen die Eingangs- und Ausgangsspannungen dem Verlauf, bis das TISP-Schutzelement auslöst, woraufhin die Lastspannung für den Rest der Halbwelle auf null fällt.

Verhalten bei Blitzeinschlag

Abbildung 4 zeigt das Verhalten der Schaltung bei einem nach IEC 61000-4-5 simulierten Blitzeinschlag von 6000 V mit einer Wellenform von 8 x 20 μs. Solche Blitzüberspannungen dauern nur etwa 50 μs. Schalttransienten und andere impulsartige Leitungsstörungen sind in der Regel noch kürzer. Dabei ist zu beachten, dass diese speziellen Untersuchungen nicht an einer Wechselstromleitung durchgeführt wurden. In realen Anwendungen bleibt das TBU HSP-Element, sobald es durch einen Blitz oder eine andere Transiente in den Sperrzustand versetzt wurde, bis zum nächsten Nulldurchgang der Netzleitung in seinem Sperrzustand.

Abbildung 4: Verhalten der Schaltung bei einem Blitzeinschlag von 6 kV 8x20 μs

Das Oszillogramm in Abbildung 4 zeigt, dass die IN-Spannung von der IsoMOV-Vorrichtung auf etwa 400 V festgelegt wird. Der Generator erhält den Strom von einem auf 6000 V aufgeladenen Kondensator. Die Stromantriebsspannung beträgt 6000 V minus 400 V oder 5600 V. Da der Generator eine Impedanz von 2 Ω hat, beträgt der erwartete Spitzenstrom etwa 2800 A.

Abbildung 5: Verhalten der Schaltung bei einem Blitzeinschlag von 6 kV 8x20 μs - Detailansicht

Abbildung 5 zeigt die gleiche Kurvenform wie Abbildung 4, jedoch mit einer Zeitskala von 1 μs/div. Das entspricht einer 10-fach höheren Detailauflösung des Verhaltens bei einem Blitzeinschlag. Die Wellenform in Kanal 4 zeigt das Verhalten des TISP-Elements auf die Überspannung. Bei diesen Messungen ist ein gewisses Rauschen zu erkennen. Das Rauschen in Kanal 1 wird hauptsächlich durch die Schaltvorgänge des Überspannungsgenerators in Wechselwirkung mit der Hochspannungs-Scope-Sonde verursacht. Beachten Sie, dass das Rauschen in Kanal 4 (an der geschützten Last) nicht auftritt. Außerdem ist ein Teil des Rauschens in Kanal 1 eine Reaktion des Transformators, der die Wechselspannung steuert, wenn das TBU HSP-Element plötzlich in den Sperrzustand übergeht.

Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Untersuchung ist, dass die Spitzenspannung, die die geschützte Last erfährt, bei einem relativ starken Blitzeinschlag nur etwa 230 V beträgt.

Anwendung: Spannungsüberhöhung bei einer Straßenlaterne

Eine 150-W-LED-Straßenlaterne mit schaltbarem Leistungsregler und Dimmfunktion ist auf eine Leistung von etwa 50 W eingestellt.

Abbildung 6: Spannung und Stromstärke einer Straßenlaterne bei einer Leistungseinstellung von 50 W an einer 120-VAC-Leitung

Abbildung 6 zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen einer 120-VAC-Netzversorgung. Der Strom der Straßenlaterne ist nahezu sinusförmig, wobei zwischen dem Nulldurchgang des Stroms und dem Nulldurchgang der Spannung nur wenig Leistung aufgenommen wird. Die Last scheint leicht kapazitiv zu sein. Die Spitzenstromaufnahme beträgt etwa 600 mA.

Abbildung 7: Spannungen und Ströme der Straßenlaterne bei 50 W Leistungseinstellung an einer geschützten 277-VAC-Leitung

Abbildung 7 zeigt die Laterne bei derselben Leistungseinstellung an einer 277-VAC-Leitung mit Schutzschaltung (unter Verwendung desselben TISP-Elements mit etwa 220 V). Es ist erkennbar, dass die Stromzufuhr zur Leuchte bei etwa 210 V unterbrochen wird. Bei den Tests im Bourns-Labor wurde ein gewisses Rauschen auf der Wechselstromleitung festgestellt, als die Induktivität des Labornetztransformators auf die plötzliche Stromsperre durch das TBU HSP-Element reagierte. Dabei ist zu beachten, dass die Laterne große Ströme zog (die Rampe von 0 bis 3 A), bevor das TISP-Element auslöste. Am Auslösepunkt des TBU HSP-Elements bei jedem Scheitelpunkt jeder Halbwelle nahm sie etwa 600 W auf!

Wie bereits geschildert, zog die Laterne unter normalen Netzbedingungen etwa 600 mA Spitzenstrom bei einer nahezu sinusförmigen Welle. In diesem Test schien die Lichtleistung der Laterne von der Spannungsüberhöhung unbeeinflusst zu sein.

Anwendung: Computernetzteil

Ein gewöhnliches Laptop-Netzteil mit einer Ausgangsleistung von 64 W und einem Eingang von 90 bis 240 VAC wird mit einer ohmschen Last betrieben, die 43 W zieht. Abbildung 8 zeigt die Spannungs- und Stromwellenformen einer 120-VAC-Netzversorgung. Der Strom der Stromversorgung ist nahezu sinusförmig mit einem Abfall zwischen dem Stromnulldurchgang und dem Spannungsnulldurchgang. Die Last scheint leicht kapazitiv zu sein. Die Spitzenstromaufnahme beträgt etwa 700 mA.

Abbildung 8: Spannung und Strom des 64-W-Computernetzteils bei 43-W-Last an einer 120-VAC-Netzleitung.

Abbildung 9 zeigt das Computernetzteil mit der gleichen 43-W-Last, die an einer 277-VAC-Leitung mit Schutzschaltung betrieben wird (unter Verwendung des gleichen 220-V-TISP-Elements). Beim Test im Bourns-Labor ist zu erkennen, dass die Spannung des Netzteils bei etwa 210 V abgeschaltet wird. Das Rauschen der Wechselstromleitung ist erneut zu beobachten, da die Induktivität des Labornetztransformators auf die plötzliche Stromsperre durch das TBU HSP-Element reagiert.

Abbildung 9: Spannungen und Ströme des 64-W-Computernetzteils bei 43-W-Last an einer geschützten 277-VAC-Leitung

Beim Bourns-Test zog das Netzteil große Ströme (0 bis 3 A Anstieg), bevor das TISP-Element auslöste. Am Auslösepunkt des TBU HSP-Elements bei jedem Scheitelpunkt jeder Halbwelle wurden etwa 600 W gezogen! Wie bereits erwähnt, nahm das Netzteil unter normalen Netzbedingungen 700 mA Spitzenstrom auf einer nahezu sinusförmigen Welle auf, die durch die Stromsperre des TBU HSP-Elements gesteuert wurde. Der Betrieb des Netzteils schien ansonsten von der Spannungsüberhöhung unbeeinflusst zu sein.

Kompromisse bei Widerstand und Wirkungsgrad

In der aktiven AC-Schutzschaltung ist der TBU HSP ein Serienwiderstand. Zu Prototypzwecken wurden im Bourns-Labor vier TBU-CA085-500-WH-Stoßspannungsunterdrücker parallel geschaltet. Jedes dieser Elemente hat einen Nennauslösestrom von 750 mA, einen Widerstand von 10,7 Ω und eine Abschaltspannung von 850 V. Daraus ergibt sich ein kombiniertes Element mit etwa 3 A Auslösestrom und einem Widerstand von 2,7 Ω. In der Schutzschaltung besteht ein natürlicher Kompromiss zwischen den Kosten und dem zusätzlichen Wert, den der Widerstand eines TBU HSP bietet. Der Auslösestrom ist von geringer Bedeutung, sofern er ausreicht, um die Einschalt- und Betriebsströme der geschützten Last zu unterstützen. Wenn das TISP-Element ausgelöst wird, löst der verfügbare Kurzschlussstrom aus der Wechselstromleitung den TBU HSP sofort aus.

Der Widerstand des TBU HSP kann zu anhaltenden Leistungsverlusten führen. Es ist zu beachten, dass die höheren Spitzenströme, die im Clipping-„Schutzmodus“ auftreten, mehr Verluste verursachen als die nahezu sinusförmigen Ströme, die im Normalbetrieb auftreten. Der Entwickler muss also ein akzeptables Gleichgewicht zwischen Kosten und Effizienz finden.

Fazit

Durch die Verwendung der SMD-Sicherung SinglFuse in Kombination mit der IsoMOV-Hybrid-Schutzkomponente bietet dieser universelle AC-Leistungsschutzansatz einen dauerhaft verfügbaren Schutz in vier kleinen Komponenten. Dieser Schutz war zuvor mit wesentlich größeren Bauteilen unerreichbar, bei denen der Überspannungsschutz abgeschaltet werden musste und die Gefahr von Feuer und Zerstörung bestand.