Application Note Elektronische Sicherungen zur ... - PULS GmbH
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<strong>Application</strong> <strong>Note</strong><br />
AN41.03.de<br />
<strong>Elektronische</strong> <strong>Sicherungen</strong><br />
<strong>zur</strong> Absicherung<br />
von DC-24V-Laststromkreisen<br />
Autor: Michael Raspotnig<br />
Diese „<strong>Application</strong> <strong>Note</strong>“ beschreibt<br />
die Funktionsweise, sowie die Vorund<br />
Nachteile der unterschiedlichen<br />
Arten von elektronischen <strong>Sicherungen</strong><br />
und vergleicht diese mit dem<br />
neuen PISA Sicherungsmodul von<br />
<strong>PULS</strong>.<br />
Im Gegensatz zu klassischen Leitungsschutzschaltern<br />
überwachen<br />
und begrenzen elektronische<br />
<strong>Sicherungen</strong> den Strom wesentlich<br />
genauer und schneller. Damit ist<br />
auch bei langen Leitungen oder bei<br />
kleinen Drahtquerschnitten eine Abschaltung<br />
im Störfall sicher möglich.<br />
Die Auswahl elektronischer <strong>Sicherungen</strong><br />
ist jedoch nicht so trivial<br />
wie es dem ersten Anschein nach<br />
aussieht. Oftmals sind diese zu empfindlich<br />
und neigen zu Fehlauslösungen.<br />
Stromversorgungen dürfen<br />
auch nicht zu klein gewählt werden,<br />
um im Fehlerfall den erforderlichen<br />
Auslösestrom liefern zu können.<br />
Viel unkomplizierter ist der Aufbau<br />
eines Schutzkonzeptes mit dem<br />
neuen PISA Sicherungsmoduls.<br />
Damit werden Fehlanpassungen<br />
oder Dimensionierungsfehler<br />
nahezu unmöglich.<br />
INFO:<br />
Den Einsatz von klassischen Leitungsschutzschaltern bei<br />
DC-24V-Systemen behandelt die „<strong>Application</strong> <strong>Note</strong>“<br />
AN38 (Fehlerhafte Stromkreise mit LS-Schalter freischalten)<br />
von <strong>PULS</strong>.<br />
Eine der Anforderungen <strong>zur</strong> Erfüllung der<br />
neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG ist<br />
die kritische Überprüfung der Auswirkung<br />
von Störungen an der DC-24V-Versorgung.<br />
Es darf dabei zu keinen gefährlichen<br />
Situationen kommen. Maschinen<br />
dürfen nicht unbeabsichtigt loslaufen,<br />
müssen sich zu jeder Zeit stillsetzen lassen<br />
können und dürfen auch sonst keine Gefahren,<br />
wie zum Beispiel Überhitzungen<br />
oder Brände, verursachen.<br />
Störungen an der DC-24V-Versorgung<br />
können durch Netzausfälle oder Netzschwankungen<br />
verursacht werden. In<br />
diesen Fällen helfen Puffermodule oder<br />
DC-USVs.<br />
Viel kritischer sind jedoch lastseitige<br />
Ursachen für Spannungseinbrüche an<br />
der DC-24V-Versorgung. Verursacht zum<br />
Beispiel ein eingequetschtes Versorgungskabel<br />
einen Kurzschluss, fließt nahezu<br />
der gesamte Strom der Stromversorgung<br />
in diesen fehlerhaften Pfad. Eine schnelle<br />
Abtrennung dieses Pfades ist erforderlich<br />
um nicht gleich die gesamte Anlage lahmzulegen.<br />
Es muss auch nicht immer gleich<br />
ein Kurzschluss sein, oftmals verursacht<br />
auch das Zuschalten eines Verbrauchers<br />
mit großer Eingangskapazität einen ähnlichen<br />
Effekt.<br />
In der Praxis gibt es typischerweise drei<br />
Arten von Verbrauchern, die in einer<br />
Maschine zusammenspielen müssen:<br />
empfindliche elektronische Verbraucher,<br />
robuste elektromechanische Komponenten<br />
und sicherheitsrelevante Stromkreise.<br />
Auch die gemeinsame Versorgung über<br />
Technik<br />
Marketing<br />
Seite 1/8<br />
www.pulspower.com
19,2V<br />
20,4V<br />
Zulässiger Spannungsbereich<br />
für DC-24V-Systeme nach<br />
EN/ IEC 61131-2 §5.1.1.1<br />
Der Bereich von 19,2 bis 20,4V<br />
ist nur als Wechselspannungskomponente<br />
zulässig<br />
eine einzige Stromversorgung ist längst<br />
gängige Praxis.<br />
Besonders empfindlich sind die elektronischen<br />
Verbraucher, wie zum Beispiel eine<br />
19,2V<br />
SPS, die bereits bei kürzesten 20,4V Unterbrechungen<br />
der Versorgungsspannung<br />
24V<br />
einen Funktionsverlust Strom imerleidet oder einen<br />
Lastkreis 3<br />
ungewollten Neustart durchführt.<br />
Strom im<br />
Lastkreis 30V<br />
Die zulässigen Strom Grenzwerte im<br />
4<br />
für die Überbrückungszeit<br />
und den Versorgungsspan-<br />
Lastkreis 2<br />
Strom im<br />
Lastkreis 1<br />
Reservestronungsbereich<br />
von Steuerungskomponenten<br />
sind in der EN 61131-2 von <strong>Sicherungen</strong> festgelegt und<br />
zum Auslösen<br />
hier in Bild 1 abgebildet. Jede Abweichung<br />
davon ist kritisch. 6A<br />
tatsächlich +<br />
fließender Strom<br />
CS10.241<br />
24V 4m Draht mit 1mm 2<br />
(a) ohne aktive Strombegrenzung<br />
10A<br />
(b) mit - aktive Strombegrenzung<br />
2,5 x IN<br />
Kurzschlussschalter<br />
Netzgerät<br />
+<br />
6A<br />
6A<br />
24V<br />
30V<br />
Relais<br />
Display<br />
-<br />
Sensoren<br />
Eigenschaften von getakteten<br />
6A<br />
Antriebe<br />
Stromversorgungen<br />
Ein Kurzschluss an einem Verbraucher<br />
stellt eine sehr niederohmige Belastung<br />
für die Stromversorgung dar und<br />
„saugt“ den größten Teil des Stromes<br />
24V<br />
bei verzweigten Systemen ab. Moderne,<br />
getaktete Strom Stromversorgungen, im PISA die<br />
Netzgerät<br />
Lastkreis 3 Protection<br />
üblicherweise <strong>zur</strong> Erzeugung Module der DC-<br />
tatsächlich<br />
Status<br />
fließender Strom<br />
LED für<br />
3,5 x IN<br />
Eingang<br />
(a) ohne 24Vaktive Strombegrenzung<br />
3 x IN (b) Netzgerät mit aktive Strombegrenzung Reset &<br />
2,5 x IN<br />
1,5 x IN<br />
0,5 x IN<br />
24V<br />
Strom im<br />
Lastkreis 2<br />
Strom im<br />
Lastkreis 4<br />
6A<br />
6A<br />
12A<br />
12A<br />
6A<br />
Netzgerät<br />
Relais<br />
+<br />
6A<br />
Display<br />
6A<br />
-<br />
Sensoren<br />
6A +<br />
Eingang Antriebe<br />
100%<br />
Ausgangsstrom<br />
-<br />
Bild 2:<br />
Bei Überlast schalten getaktete Stromversorgungen - in<br />
den Strombegrenzungsmodus<br />
Ausgangsspannung<br />
Schutzschild Strombegrenzungsmodus<br />
a<br />
PISAON/OFF<br />
6A<br />
Protection<br />
Module<br />
Reset &<br />
12 6A<br />
ON/OFF b<br />
November 11 12A 2011<br />
Bestellnummer: AN41.03.de<br />
Ausgang 13 12A<br />
OK<br />
Kontakt 14<br />
Schutzschild<br />
24V<br />
19,2V<br />
Netzgerät<br />
Strom im<br />
Spannungsregelmodus<br />
Lastkreis 1<br />
Reservestrom<br />
zum Auslösen<br />
von <strong>Sicherungen</strong><br />
2 x IN<br />
1 x IN<br />
24V<br />
19,2V<br />
0V<br />
(+)<br />
(-)<br />
0V<br />
max.<br />
10ms<br />
24V-Versorgungsspannung verwendet<br />
werden, schalten in solchen Fällen vom<br />
Spannungsregelmodus in den Strombegrenzungsmodus,<br />
um sich selbst zu<br />
schützen. Als Folge sinkt die Ausgangsspannung<br />
der Stromversorgung. Liegt der<br />
Wert Strom der imStrombegrenzung unterhalb der<br />
Lastkreis 3<br />
Zeit<br />
Auslösegrenze des Schutzelementes, wird<br />
max.<br />
10ms<br />
im<br />
dieses den Stromkreis nicht abschalten<br />
Lastkreis 4<br />
Strom im<br />
können. Klassische Leitungsschutzschalter<br />
Lastkreis 2<br />
oder Schmelzsicherungen sind hier in den<br />
Strom im<br />
meisten Lastkreis Fälle zu 1 ungenau und benötigen<br />
außerdem ein vielfaches des<br />
Nennstroms zum schnellen Auslösen.<br />
<strong>Elektronische</strong> 6A Relais<br />
PISA<br />
Modul<br />
+<br />
6A Display Lösungen<br />
3,5 x IN<br />
sind - hier viel<br />
6A<br />
besser<br />
Sensoren<br />
geeignet.<br />
3 x IN<br />
Netzgerät<br />
6A<br />
Antriebe<br />
<strong>Elektronische</strong> <strong>Sicherungen</strong><br />
<strong>Elektronische</strong> <strong>Sicherungen</strong><br />
messen den Strom mittels eines<br />
Strommesswiderstands Steuerungen und<br />
(kritische Lasten)<br />
verwenden als Schaltelement<br />
einen Strom Motor imHalbleiter. 1 Die ersten elektronischen<br />
Relais, Magnetspulen <strong>Sicherungen</strong> kamen<br />
Lastkreis 3<br />
bereits vor etwa Strom im10 Jahren auf<br />
Anzeigen, Monitore<br />
Lastkreis 4<br />
den Markt. Diese Geräte hatten<br />
Motor 2<br />
zwar exakte Stromabschaltwerte,<br />
jedoch Strom nicht im das gutmütige dynamische<br />
Lastkreis 1<br />
Verhalten von Leitungsschutzschaltern.<br />
Sie schalteten nicht selten schon bei<br />
PISA<br />
betriebsbedingten Modul 6A Relais<br />
+<br />
Einschaltstromstößen<br />
6A Display<br />
- ab und führten 6A Sensoren dadurch zu ungewolltem<br />
6A Antriebe<br />
Maschinenstillstand. Verpolschutz Displays, Motorsteuerungen<br />
und andere Verbraucher mit<br />
großen Eingangskapazitäten konnten nur<br />
Schutzschild<br />
für minimale<br />
Eingangsspannung<br />
Steuerungen<br />
(kritische Lasten)<br />
Relais, Magnetspulen Reset,<br />
ON/OFF<br />
Anzeigen, Monitore<br />
Ausgang<br />
ok<br />
Seite 2 / 8<br />
Zeit<br />
Maximal zulässige Spannungsunterbrechungen<br />
für DC-24V-Systeme<br />
nach EN/ IEC 61131-2 §5.1.1.3<br />
Bild 1:<br />
Grenzwerte nach EN/ IEC 61131-2<br />
Strom im<br />
Lastkreis 2<br />
Motor 1<br />
Motor 2<br />
Strombegrenzungsund<br />
Abschaltsteuerung<br />
eingeschaltet werden, wenn man überdimensionierte<br />
Spannungsregelmodus<br />
Amperewerte wählte.<br />
spannung<br />
Dieses Manko haben einige Hersteller Strom-<br />
24V<br />
bei<br />
begrenzungs-<br />
modus<br />
den Geräten der aktuellen Generation<br />
abgestellt. Sie wurden unempfindlicher<br />
gegenüber dynamischem Strombedarf<br />
ausgelegt und können nun mühelos Kapazitäten<br />
von bis zu 20.000µF 100% zuschalten.<br />
Ausgangsstrom<br />
Eine gewisse Angst aber bleibt bei allen,<br />
die damit bereits einmal ein Problem<br />
hatten. Eine Fehlauslösung kann ebenso<br />
Schaden anrichten wie ein Nicht-Auslösen<br />
(a) ohne aktive Strombegrenzung<br />
bei (b) einer mit aktive Störung. Strombegrenzung Ein genaues Studium<br />
a<br />
der Werte in den Datenblättern und praktische<br />
Versuche werden daher dringend<br />
b<br />
empfohlen.<br />
Ausgangs-<br />
tatsächlich<br />
fließender Strom<br />
3,5 x IN<br />
3 x IN<br />
2,5 x IN<br />
2 x IN<br />
1,5 x IN<br />
1 x IN<br />
Zwei grundsätzlich Spannungsregelmodus Unterschiede bei<br />
elektronischen <strong>Sicherungen</strong> Strom-<br />
24V 0,5 x IN 1 x IN 1,5 x IN 2 x IN begrenzungs-<br />
modus ent-<br />
2,5 x IN 3 x IN<br />
<strong>Elektronische</strong> <strong>Sicherungen</strong> können<br />
weder mit oder ohne aktive Strombegrenzung<br />
ausgestattet sein.<br />
Die einfachen Ausführungen beinhalten<br />
nur eine Stromüberwachung<br />
100%<br />
mit Ausgangsstrom<br />
anschließender<br />
Abschaltung des Ausgangs. Dieses<br />
0,5 Ausgangsspannung<br />
x IN<br />
Netzgerät<br />
DUT<br />
(Sicherung)<br />
2 x IN<br />
1,5 x IN<br />
1 x IN<br />
0,5 x IN<br />
Netzgerät<br />
CS10.241<br />
24V<br />
10A<br />
Ausgangsstrom<br />
Überwachung<br />
0,5 x IN<br />
I<br />
Konzept erlaubt zwar einen kostengünstigeren<br />
Aufbau DUT<br />
I<br />
der elektronischen<br />
(Sicherung)<br />
Sicherung, belastet aber die speisende<br />
+<br />
Stromversorgung deutlich mehr, da der<br />
4m Draht mit 1mm 2<br />
Strom nahezu „ungebremst“ Fehler LEDin den gestörten<br />
Strompfad fließen + Ausgang kann. 1<br />
I Sicherung<br />
-Sense<br />
Kurzschlussschalter<br />
Dementsprechend<br />
wenig Strom bleibt dann für<br />
Fehler LED<br />
die restlichen Sicherung Verbraucher, sodass die Zeit<br />
I Sense<br />
I Sense<br />
I Sense<br />
1 x IN<br />
Sicherung<br />
Sicherung<br />
www.pulspower.com<br />
3,5 x IN<br />
Strom der Speisequelle<br />
1,5 x IN 2 x IN 2,5 x IN 3 x IN 3,5 x IN<br />
Strom der Speisequelle<br />
Bild 3:<br />
<strong>Elektronische</strong> <strong>Sicherungen</strong> mit und ohne aktive Begrenzung<br />
a<br />
b<br />
+ Ausgang 2<br />
Fehler LED<br />
+ Ausgang 3<br />
Fehler LED<br />
+ Ausgang 4
Zeit<br />
Kurzschlussschalter<br />
nzungs-<br />
0,5 x IN<br />
1 x IN<br />
Auslöseverhalten von verschiedenen<br />
Sicherungselementen in der Praxis<br />
Die nachfolgenden Oszillogramme zeigen<br />
die unterschiedlichen Eigenschaften der<br />
Netzgerät<br />
+<br />
CS10.241<br />
24V<br />
10A<br />
-<br />
Bild 4: Testschaltung<br />
I<br />
4m Draht mit 1mm 2<br />
verschiedenen Techniken zum Absichern<br />
von 24V-DC-Kreisen. Es wurde das Auslöseverhalten<br />
von 6A Schutzelementen<br />
in Verbindung mit einer 10A-Stromversorgung<br />
bei Kurzschluss untersucht. Alle<br />
Tests wurden mit einem einheitlichen<br />
Testaufbau gemacht.<br />
Während bei den Tests 1-3 die 10A<br />
Stromversorgung bereits bei einem<br />
6A-Schutzelement an ihre Grenzen stößt,<br />
kann bei Verwendung des PISA Moduls<br />
problemlos ein 10A-Verbraucher Fehler versorgt LED<br />
I Sense Sicherung<br />
werden ohne die Schutzwirkung + Ausgang dabei 1zu<br />
verlieren.<br />
Fehler LED<br />
I Sense<br />
Sicherung<br />
Ausgangsstrom<br />
Bild 5: 6A LS-Schalter C-Charakteristik<br />
bis <strong>zur</strong> Abschaltung sehr kurz gewählt<br />
werden muss um keine zu langen Spannungseinbrüche<br />
mit anschließenden Kettenreaktionen<br />
von Ausfällen auszulösen.<br />
Bei dieser Ausgangsspannung<br />
Technik ist Spannungsregelmodus<br />
es empfehlenswert<br />
die einzelnen Strompfade nicht gleichzeitig,<br />
sondern zeitlich versetzt zuzuschalten.<br />
24V<br />
Damit werden die Einschaltstromspitzen<br />
entzerrt und die speisende Stromversorgung<br />
entlastet.<br />
Die aufwändigeren Ausführungen elektronischer<br />
<strong>Sicherungen</strong> beinhalten eine akti-<br />
100%<br />
ve Strombegrenzung, die den maximalen<br />
Strom tatsächlich elektronisch auf etwa den 1,5- bis<br />
fließender Strom<br />
1,8-fachen Nennwert begrenzt. Die<br />
3,5 x IN<br />
speisende Stromversorgung (a) ohne aktive Strombegrenzung wird damit<br />
3 x IN (b) mit aktive Strombegrenzung<br />
a<br />
deutlich weniger belastet. Die Zeit bis <strong>zur</strong><br />
2,5 x IN<br />
Abschaltung kann länger gewählt werden,<br />
was dieses Konzept unempfindlicher b<br />
2 x IN<br />
1,5 x IN<br />
gegen kurze Lastspitzen macht und auch<br />
1 x IN<br />
das Zuschalten von großen, kapazitiven<br />
0,5 x IN<br />
Lasten erlaubt.<br />
Strombegrenzungsmodus<br />
1,5 x IN 2 x IN 2,5 x IN 3 x IN 3,5 x IN<br />
Strom der Speisequelle<br />
DUT<br />
(Sicherung)<br />
+ Ausgang 2<br />
8V<br />
Bild 6: 6A <strong>Elektronische</strong> Sicherung ohne Strombegrenzung<br />
und auf träge gestellt (Lütze LOCC-Box)<br />
Bild 7: 6A <strong>Elektronische</strong> Sicherung mit aktiver<br />
Strombegrenzung (E-T-A ESX10-T)<br />
Bild 8: PISA Module 6A Ausgang<br />
Ausgang Netzgerät<br />
Ausgang Leitungsschutzschalter<br />
Strom<br />
Ausgang Netzgerät<br />
Ausgang Sicherung<br />
Strom<br />
Ausgang Netzgerät<br />
Ausgang Sicherung<br />
Strom<br />
Ausgang Netzgerät<br />
Ausgang PISA<br />
Strom<br />
6A Leitungsschutzschalter mit<br />
C-Charakteristik<br />
Der Strom steigt auf knapp 100A an und der<br />
LS-Schalter öffnet nach ca. 3ms. Danach baut<br />
sich die Ausgangsspannung wieder auf. Dieses<br />
Verhalten ist hauptsächlich von der Leitungslänge<br />
bestimmt. Ist diese länger, steigt<br />
der Leitungswiderstand an und begrenzt den<br />
Strom. Die Abschaltung würde dann deutlich<br />
verzögert stattfinden, was einen langen<br />
Einbruch der Eingangsspannung bedeutet.<br />
<strong>Elektronische</strong> Sicherung ohne<br />
Strombegrenzung: LOCC-Box mit<br />
6A von der Firma Lütze<br />
Diese Art von elektronischer Sicherung besitzt<br />
keine aktive Strombegrenzung. Der Strom<br />
fließt mit über 50A nahezu ungebremst in<br />
den Kurzschluss. Dementsprechend schnell<br />
muss die Abschaltung erfolgen um Einbrüche<br />
auf der Eingangsspannung zu vermeiden.<br />
Die schnelle Abschaltung neigt zu Fehlauslösungen<br />
bei betriebsbedingten Einschaltstromstößen<br />
von Verbrauchern mit mittleren bis<br />
größeren Eingangskondensatoren.<br />
<strong>Elektronische</strong> Sicherung mit aktiver<br />
Strombegrenzung: ESX10-T mit 6A<br />
von der Firma E-T-A<br />
Hier wird der Ausgangsstrom vor der Abschaltung<br />
aktiv begrenzt. Die 6A Sicherung<br />
ist für dynamische Vorgänge auf etwa den<br />
1,8-fachen Nennwert eingestellt. In der<br />
Praxis misst man 12A, die das 10A-Netzgerät<br />
auch ohne Spannungseinbruch liefern kann.<br />
Höhere Nennwerte als 6A sollten aber nicht<br />
verwendet werden. Der dynamische Strom<br />
steht für 100ms <strong>zur</strong> Verfügung. In dieser Zeit<br />
können problemlos auch große Kondensatoren<br />
geladen werden.<br />
Absicherung mit dem PISA Modul:<br />
Ausgangskanal mit 6A<br />
Der Ausgangsstrom wird dynamisch auf typ.<br />
25A oder auf einen kleineren Stromwert, der<br />
eine minimale Eingangsspannung von 21V<br />
sicherstellt, begrenzt. Die erste kurze Nadel mit<br />
etwa 25A ist die Entladung der Ausgangselkos<br />
des Netzgerätes. Anschließend fließen 15A. Das<br />
ist die Stromhöhe, die vom Netzteil geliefert<br />
werden kann ohne unter 21V einzubrechen.<br />
Dank dieser eingangsspannungsabhängigen<br />
Strombegrenzung darf der gesamte Strom des<br />
Netzgerätes für Verbraucher verplant werden.<br />
euerung<br />
I Sense<br />
Fehler LED<br />
Sicherung<br />
November 2011<br />
Bestellnummer: + AN41.03.de<br />
Ausgang 3<br />
Seite 3 / 8<br />
www.pulspower.com<br />
Fehler LED
100%<br />
Der Grundgedanke des PISA Moduls ist<br />
Das neue PISA Modul von <strong>PULS</strong>:<br />
Strom im<br />
Strom im<br />
Sichert die Versorgung der SPS und schützt vor Überlastung der Kabel.<br />
Lastkreis 3<br />
Lastkreis 3<br />
Dies wird erreicht, indem Verbraucher, die<br />
unempfindlich auf kurze Spannungsunterbrechungen<br />
reagieren oder die selbst<br />
die Ursache für Fehler auf<br />
der 24V-Versorgung sein<br />
können, über eine Schutzbarriere<br />
„isoliert“ werden.<br />
Diese Schutzbarriere arbeitet<br />
wie ein Ventil. Es lässt nur<br />
soviel Strom durch, dass die<br />
Eingangsspannung (entspricht<br />
der Ausgangsspannung<br />
der Stromversorgung)<br />
nicht unter 21V einbricht.<br />
Kurzschlussschalter<br />
möglichst direkt und möglichst ohne<br />
Gefahr von Dimensionierungsfehlern die<br />
Versorgungsspannung für kritische Komponenten<br />
wie Steuerungen oder sicherheitsrelevante<br />
Stromkreise<br />
Netz-<br />
sicherzustellen.<br />
gerät +<br />
-<br />
24V<br />
Netzgerät<br />
Damit wird eine sichere und unterbrechungsfreie<br />
Versorgung für kritische<br />
Verbraucher möglich, wenn diese an die<br />
gleiche Stromversorgung wie das PISA<br />
Modul angeschlossen werden. Bei Bedarf<br />
können diese Verbraucher mit Standard-<br />
Leitungsschutzschaltern abgesichert<br />
werden. Hier geht es dann ja nicht mehr<br />
darum Spannungseinbrüche zu vermeiden,<br />
sondern um einen reinen Leitungsund<br />
Geräteschutz.<br />
Strom im<br />
Lastkreis 2<br />
Die Schutzbarriere im PISA Modul arbeitet<br />
eigentlich ganz einfach: Es wurde die<br />
bei elektronischen <strong>Sicherungen</strong> übliche<br />
Stromüberwachung durch eine spannungsabhängige<br />
aktive Stromregelung<br />
ausgetauscht. Die daran angeschlossenen<br />
Verbraucher können dann gefahrlos den<br />
maximal möglichen, verbleibenden Strom<br />
nutzen, den die Stromversorgung <strong>zur</strong><br />
Verfügung stellt. Wie das in der Praxis<br />
funktioniert, kann man in Bild 8 erkennen.<br />
Eigentlich ein logischer Schritt, der aber<br />
hier zum ersten Mal <strong>zur</strong> Anwendung<br />
kommt.<br />
Strom im<br />
Lastkreis 1<br />
Wird ein zulässiger Kanalstrom oder der<br />
zulässige Gesamtstrom für das Modul<br />
PISA<br />
Protection<br />
Module<br />
Schutzschild<br />
Bild 9:<br />
Kritische Verbraucher werden direkt mit der Stromversorgung verbunden.<br />
Unempfindliche Verbraucher oder „Störer“ werden hinter<br />
dem Schutzschild des PISA Moduls angeschlossen<br />
+<br />
Eingang<br />
überschritten, begrenzt Verpolschutz<br />
-<br />
das Modul alle<br />
Ausgangsströme - und schaltet alle vier<br />
Ausgänge zeitverzögert ab.<br />
Status<br />
Schutzschild<br />
Für den LED für Fall, dass diese für erste minimale Maßnahme<br />
Eingang<br />
Eingangsspannung<br />
einmal versagt, ist noch ein weiterer, redundant<br />
ON/OFF aufgebauter Schalter mit unab-<br />
Reset &<br />
(+)<br />
hängiger Stromauswertung 12<br />
eingebaut.<br />
Reset,<br />
Strombegrenzungsund<br />
Abschaltsteuerung<br />
13<br />
Es stehen verschiedene Module<br />
Ausgang<br />
OK<br />
für unterschiedliche<br />
Strömen <strong>zur</strong> Verfügung (fest<br />
14<br />
ok<br />
Kontakt<br />
15<br />
eingestellte Sync.<br />
Synchronisation<br />
Werte von 4x1A bis 4x10A,<br />
16<br />
sowie gemischte Module mit 2x3A +<br />
2x6A und 2x6A + 2x12A).<br />
Input<br />
Input<br />
Status<br />
Reset,<br />
ON/OFF<br />
Reset,<br />
ON/OFF<br />
Outputs-<br />
OK<br />
Contact<br />
Sync.<br />
Strom im<br />
Lastkreis 4<br />
Reset &<br />
ON/OFF 11<br />
Ausgang<br />
+<br />
-<br />
-<br />
12<br />
11<br />
13<br />
14<br />
15<br />
16<br />
6A<br />
6A<br />
12A<br />
12A<br />
(+)<br />
(-)<br />
(-)<br />
Steuerungen<br />
(kritische Lasten)<br />
Motor 1<br />
Relais, Magnetspulen<br />
Motor 2<br />
Safeguard<br />
for Minimum<br />
Input Voltage<br />
Anzeigen, Monitore<br />
Reset,<br />
ON/OFF<br />
Output<br />
OK<br />
Synchronization<br />
ON/OFF<br />
Strom im<br />
Lastkreis 4<br />
Eine weitere Aufgabe des PISA Modul ist<br />
Strom im<br />
Lastkreis 2<br />
die Reservestrom<br />
Verteilung des Stroms eines leistungsstarken<br />
Netzgerätes auf vier<br />
zum Auslösen<br />
Strom<br />
stromüberwachte<br />
Ausgänge. Damit ermöglicht man<br />
im<br />
von <strong>Sicherungen</strong><br />
Lastkreis 1<br />
6A<br />
eine weitere RelaisVerkabelung Netzgerät<br />
mit PISA kleineren<br />
Modul 6A Relais<br />
6A<br />
Display<br />
+<br />
6A Display<br />
Drahtquerschnitten. 6A<br />
Jeder Ausgangskanal<br />
Sensoren<br />
-<br />
6A Sensoren<br />
6A<br />
besitzt eine Antriebe elektronische Strommessung.<br />
6A Antriebe<br />
Current<br />
Limiter &<br />
Shut-down<br />
Manager<br />
I Sense<br />
Schutz kleiner Leitungsquerschnitte<br />
Für die Zuordnung von Ausgangstrom<br />
und Kabelquerschnitt sind die einschlägigen<br />
Vorschriften zu beachten. In den<br />
meisten Fällen sind dies die VDE 0891,<br />
Fehler LED<br />
VDE 0100-523 I Sense<br />
und Sicherung die IEC/EN 60204-1.<br />
+ Ausgang 1<br />
In typischen Anwendungen können<br />
folgende Leitungsquerschnitte verwendet<br />
Fehler LED<br />
I Sense Sicherung<br />
werden:<br />
+ Ausgang 2<br />
- ≥0,14mm 2 I Sense Sicherung<br />
für 1A-Ausgänge<br />
- ≥0,25mm 2 für 2A-Ausgänge<br />
- ≥0,34mm 2 für I Sense 3A-Ausgänge<br />
Sicherung<br />
- ≥0,5mm 2 für 4A-Ausgänge<br />
- ≥0,75mm 2 für 6A-Ausgänge<br />
Ausgangsstrom<br />
- ≥1,0mm Überwachung<br />
2 für 10A-Ausgänge<br />
- ≥1,5mm 2 für 12A-Ausgänge<br />
Redundant<br />
Emergency<br />
Switch<br />
tatsächlich<br />
fließender Strom<br />
3,5 x IN<br />
3 x IN<br />
2,5 x IN<br />
2 x IN<br />
1,5 x IN<br />
1 x IN<br />
0,5 x IN<br />
Netzgerät<br />
CS10.241<br />
24V<br />
10A<br />
Output<br />
Current<br />
Monitor<br />
(a) ohne aktive Strombegrenzung<br />
(b) mit aktive Strombegrenzung<br />
I Sense<br />
I Sense<br />
I Sense<br />
I Sense<br />
0,5 x IN<br />
+<br />
-<br />
1 x IN<br />
I<br />
4m Draht mit 1mm 2<br />
1,5 x IN 2 x IN 2,5 x IN 3 x IN 3,5 x IN<br />
Strom der Speisequelle<br />
DUT<br />
(Sicherung)<br />
Failure<br />
+ Output 1<br />
Failure<br />
+ Output 2<br />
Failure<br />
+ Output 3<br />
Failure<br />
+ Output 4<br />
Bild 10:<br />
Funktionsschaltbild<br />
PISA Modul<br />
a<br />
b<br />
Neu<br />
Ausgangsstrom<br />
Fehler LED<br />
+ Ausgang 3<br />
Fehler LED<br />
+ Ausgang 4<br />
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PISA Modul setzt neue Messlatte<br />
bei den Kosten für elektronische<br />
<strong>Sicherungen</strong><br />
Ein Argument gegen elektronische <strong>Sicherungen</strong><br />
sind oftmals die deutlich höheren<br />
Kosten im Vergleich zu den gewohnten<br />
klassischen Leitungsschutzschalter. Aus<br />
diesem Grunde war es bei der Entwicklung<br />
des PISA Moduls ein wichtiges<br />
Ziel die Kosten so weit wie möglich zu<br />
optimieren.<br />
Eine Maßnahme hierfür ist der Aufbau als<br />
4-kanäliges Modul. Das spart Mechanik,<br />
Elektronik und Verkabelung.<br />
Eine weitere Maßnahme ist die Sammelabschaltung<br />
aller Ausgänge bei<br />
einer Störung. Die Sammelabschaltung<br />
erfordert zwar etwas Überlegung, ob die<br />
zusätzlich abgeschalteten Ausgänge ein<br />
Problem darstellen könnten oder nicht, in<br />
den meisten Fällen ist die Angst jedoch<br />
unbegründet. Wenn zum Beispiel ein<br />
Motor blockiert, ist es auch nicht mehr relevant<br />
ob ein weiterer Motor oder Schütz<br />
versorgt wird oder nicht. Wichtig ist es,<br />
dass die Steuerung am Leben bleibt und<br />
dass sie die vorprogrammierten Aktionen<br />
für diesen Fall ausführen kann.<br />
Protects<br />
ISA<br />
nterrupts<br />
Sync.-Anschluss<br />
Werden mehrere PISA Module von<br />
einer Stromversorgung versorgt,<br />
dann sollen die Sync.-Anschlüsse<br />
miteinander verbunden werden.<br />
Ausgang-OK Relaiskontakt<br />
Relaiskontakt ist geschlossen,<br />
wenn kein Ausgang abgeschaltet<br />
hat und ausreichend<br />
Eingangsspannung vorhanden ist<br />
ON/OFF Signaleingang<br />
Zum Ein- / Ausschalten der<br />
Ausgänge oder zum Rücksetzen<br />
nach einer Abschaltung<br />
Input Status LED (grün)<br />
Leuchtet bei ausreichender<br />
Eingangsspannung und blinkt im<br />
Begrenzungsmodus zum Schutz<br />
der Eingangsspannung<br />
ecures<br />
Output 1 2 3 4<br />
Failure<br />
6A 6A 12A 12A<br />
Reset<br />
16<br />
15<br />
14<br />
13<br />
12<br />
11<br />
Input<br />
Status<br />
ssists<br />
ON/OFF<br />
Sync.<br />
OK<br />
+<br />
ON/<br />
OFF<br />
Input DC 24 V<br />
PISA11<br />
Protection<br />
Module<br />
4 Ausgangskanäle<br />
Der gesamte Ausgangsstrom ist<br />
zusätzlich noch auf 20A begrenzt<br />
4 rote Fehler LEDs<br />
Leuchten, wenn die Ausgänge<br />
abgeschaltet haben. Ein Blinken<br />
zeigt den Verursacherkanal an.<br />
ON/OFF und Reset Taste<br />
Zum Ein- / Ausschalten der<br />
Ausgänge oder Rücksetzen der<br />
abgeschalteten Ausgänge<br />
Eingangsklemmen<br />
Zwei Minusanschlüsse (–) für<br />
einfachere Lastverteilung oder<br />
Erdung des Minuspols<br />
Diese Sammelabschaltung hat auch<br />
Vorteile. Die dynamischen Eigenschaften<br />
sind pro Modul und nicht pro Ausgang<br />
spezifiziert. Ist ein Ausgang nur mit einer<br />
„harmlosen“ Last beschaltet, profitieren<br />
die anderen Ausgänge davon. Diese dynamische<br />
Flexibilität verringert die Gefahr<br />
von Fehlauslösungen.<br />
Das Ergebnis der Kostenoptimierung kann<br />
sich sehen lassen:<br />
Die Kosten für ein PISA Modul betragen<br />
etwa die Hälfte der Kosten der marktüblichen<br />
4-kanäligen elektronischen Sicherungsmodule<br />
oder sind nur geringfügig<br />
höher als die Summe aus vier klassischen<br />
Leitungsschutzschaltern mit Hilfskontakt<br />
(Listenpreis etwa 7 Euro/Stück). Bei diesen<br />
Kosten tut es auch nicht so weh, wenn<br />
mal ein Kanal nicht benutzt wird.<br />
Bild 11: Bedienelemente des PISA Moduls<br />
Auf einen Blick: Vorteile des PISA Moduls<br />
Kostengünstig<br />
Stellt auch im Störfall mindestens 21Vdc für kritische Verbraucher <strong>zur</strong> Verfügung<br />
Schützt kleine Kabelquerschnitte vor Überlastung<br />
Zuschalten hoher kapazitiver Lasten möglich<br />
Aktive Strombegrenzung des Ausgangsstromes<br />
Vermeidet Fehlauslösungen dank hoher dynamischer Reserven<br />
Einfache Integration in Anlagen und Maschinen, eine falsche Dimensionierung<br />
oder falsche Planung ist fast ausgeschlossen<br />
Ausgänge bleiben abgeschaltet bis <strong>zur</strong> manuellen Quittierung des Fehlers.<br />
Gilt auch nach einer Weg- und Zuschaltung der Versorgungsspannung.<br />
Ein fehlerhafter Stromkreis lässt sich mittels roter LED identifizieren.<br />
Gezieltes Zu- und Abschalten der Ausgänge <strong>zur</strong> einfacheren Inbetriebnahme und<br />
Fehlersuche – entweder am Gerät selbst, mittels Taster, oder mittels Signaleingang<br />
Eingebauter Relaiskontakt <strong>zur</strong> Fehlerrückmeldung<br />
Geringer Innenwiderstand, geringe Verluste<br />
Der Strom der DC-24V-Stromversor gung kann zu 100% genutzt werden.<br />
Extrem kompakt: für vier Ausgangskanäle werden nur 45mm Platz auf der<br />
DIN-Schiene benötigt<br />
November 2011<br />
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Richtige Dimensionierung von Stromversorgung<br />
und Sicherungselementen<br />
Nur eine durchdachte Auslegung des<br />
Stromversorgungs- und Sicherungskonzeptes<br />
garantiert einen zuverlässigen<br />
Schutz im Fehlerfall.<br />
Bei einzeln abgesicherten Verbraucherstromkreisen<br />
neigt man dazu, den gesamten<br />
Strombedarf zu unterschätzen und<br />
die Stromversorgung zu klein zu wählen.<br />
<strong>Elektronische</strong> <strong>Sicherungen</strong> sind zwar<br />
genau im Auslösestrom spezifiziert,<br />
brauchen aber für eine Schnellabschaltung<br />
dynamisch üblicherweise den 1,5 bis<br />
1,8fachen Nennstrom, um ausreichend<br />
unempfindlich zu sein. Die Stromversorgung<br />
muss also für diesen „Reservestrom“<br />
überdimensioniert werden,<br />
ansonsten ist die Schutzwirkung und<br />
Selektivität fraglich.<br />
Hat man zum Beispiel zwei Verbrauchergruppen<br />
die jeweils 1A Nennstrom<br />
benötigen und zwei Weitere mit jeweils<br />
3,5A, wird man in der Regel zwei elektronische<br />
<strong>Sicherungen</strong> mit 2A und zwei mit<br />
6A wählen. Im Normalfall fließen 9A. Hat<br />
dann eine 3,5A-Gruppe einen Fehler oder<br />
Kurzschluss, braucht die 6A-Sicherung 9A<br />
zum Auslösen. Zusätzlich mit den anderen<br />
drei Verbrauchergruppen muss die DC-<br />
24V-Stromversorgung <strong>zur</strong> Abschaltung<br />
der fehlerhaften Gruppe also 14,5A<br />
liefern können. Der erforderliche Reservestrom<br />
wird von der Sicherung mit dem<br />
höchsten Amperewert bestimmt und ist in<br />
diesem Fall 5,5A.<br />
In der Praxis wird man für dieses Beispiel<br />
eine 20A-Standardstromversorgung wählen<br />
müssen, obwohl der Nennstrom nur<br />
9A beträgt.<br />
erlaubten Nennstrom. Im Störfall geht<br />
dann die Stromversorgung in Begrenzung,<br />
bevor die Sicherung 19,2V den fehlerhaften Pfad<br />
20,4V<br />
abschalten kann.<br />
24V<br />
Viel einfacher ist es bei der Verwendung<br />
des neuen PISA Module:<br />
Hier ist kein „Reservestrom“ erforderlich<br />
30V<br />
und man kommt mit einer 10A-Standardstromversorgung<br />
aus. Im Ernstfall würde<br />
der fehlerhafte 3,5A- Kreis die Stromversorgung<br />
in den Strombegrenzungsmodus<br />
bringen und die Spannung leicht einbrechen<br />
lassen. Das PISA Modul überwacht<br />
aber diese Spannung und verhindert,<br />
dass sie unter 21V absinkt, indem es den<br />
Ausgangsstrom begrenzt. Die Begrenzung<br />
bleibt für einige Zeit bestehen, bevor das<br />
PISA Modul die Ausgänge abschaltet,<br />
falls die Störung sich in dieser Zeit nicht<br />
auflöst. Eine Versorgung von empfindlichen<br />
elektronischen Verbrauchern wie<br />
Steuerungen ist dann lückenlos gegeben.<br />
Mit dieser Eigenschaft ist auch eine<br />
Fehldimensionierung, wie im vorangegangenen<br />
24V<br />
Beispiel beschrieben, erst gar nicht<br />
19,2V<br />
möglich.<br />
Zeit<br />
0V<br />
max.<br />
10ms<br />
Effiziente Schutzkonzepte für 24V-DC-<br />
Systeme sind nicht so trivial wie man<br />
anfänglich vermutet. Ein klassischer<br />
Ansatz mit selektiven Einzelkanalabsicherungen<br />
funktioniert zwar, kostet<br />
aber auch eine Menge Geld.<br />
Es empfiehlt sich die Notwendigkeit<br />
einer durchgängigen, selektiven<br />
Abschaltung zu hinterfragen.<br />
In vielen Fällen kann man dann mit<br />
dem neuen PISA Modul von <strong>PULS</strong><br />
eine Menge Geld sparen ohne dabei<br />
nennenswerte Risiken eingehen<br />
zu müssen.<br />
Bild 12: Auswahl der Größe der Stromversorgung in Abhängigkeit des gewählten Absicherungskonzepts<br />
Strom im<br />
Lastkreis 2<br />
Netzgerät<br />
+<br />
-<br />
Strom im<br />
Lastkreis 3<br />
6A<br />
6A<br />
6A<br />
6A<br />
Strom im<br />
Lastkreis 4<br />
Netzgerät<br />
Strom im<br />
Lastkreis 1<br />
Reservestrom<br />
zum Auslösen<br />
von <strong>Sicherungen</strong><br />
Relais<br />
Display<br />
Sensoren<br />
Antriebe<br />
Strom im<br />
Lastkreis 3<br />
Strom im<br />
Lastkreis 2<br />
+<br />
-<br />
Strom im<br />
Lastkreis 1<br />
PISA<br />
Modul 6A<br />
6A<br />
6A<br />
6A<br />
Strom im<br />
Lastkreis 4<br />
Relais<br />
Display<br />
Sensoren<br />
Antriebe<br />
Eine weitere Gefahr lauert hier, wenn<br />
während der Betriebszeit eine Anlage<br />
modifiziert oder erweitert wird. Zu diesem<br />
Zeitpunkt denkt man nicht mehr an<br />
den erforderlichen „Reservestrom“ und<br />
belastet die Stromversorgung bis zum<br />
Klassische Lösung:<br />
Die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung<br />
kann nicht zu 100% für die Verbraucher<br />
verwendet werden.<br />
Ein „Reservestrom“ ist notwendig um<br />
im Fehlerfall <strong>Sicherungen</strong> auslösen lassen<br />
24V<br />
Netzgerät zu können.<br />
PISA<br />
Protection<br />
Module<br />
6A<br />
6A<br />
PISA Lösung:<br />
100% Strom für die Verbraucher.<br />
Dank der Spannungsüberwachung<br />
werden rechtzeitig der Strom begrenzt und<br />
anschließend Steuerungen die Ausgänge abgeschaltet.<br />
(kritische Lasten)<br />
Motor 1<br />
Relais, Magnetspulen<br />
12A<br />
Anzeigen, Monitore<br />
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12A Motor 2<br />
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Schutzschild
NEC-Class-2 Stromkreise<br />
mit PISA11<br />
Mit PISA11 lassen sich kostengünstig<br />
gleich vier NEC-CLASS-2 Stromkreise mit<br />
nur einem Netzgerät und einem PISA<br />
Modul aufbauen. Werden mehr als vier<br />
Stromkreise benötigt, kann man einfach<br />
mehrere PISA Module an die Stromversorgung<br />
anschließen. Für kleine Ströme bis<br />
2A sind PISA11.401 und PISA11.402 ausreichend.<br />
Wenn man eine Leistung in der<br />
Nähe der maximalen 100W NEC-CLASS-2<br />
Grenze benötigt, ist dafür das speziell<br />
entwickelte PISA11.CLASS2 eine perfekte<br />
und einfache Lösung.<br />
Alle Ausgänge dieser drei PISA Module<br />
erfüllen die Anforderung als Stromquelle<br />
zum Aufbau von NEC-Class-2 Stromkreisen<br />
und sind gemäß der IEC 60950-1 als<br />
„Stromquelle begrenzter Leistung“ (LPS)<br />
klassifiziert. Bei Überlast wird der maximale<br />
Strom für eine bestimmte Zeit begrenzt,<br />
danach werden alle 4 Ausgänge des PISA<br />
Moduls abgeschaltet und können manuell<br />
mit Taster oder mittels einer Steuerspannung<br />
wieder zugeschaltet werden. Die<br />
PISA Module können dabei von Stromversorgungen<br />
beliebiger Leistung versorgt<br />
werden. Der interne Schutzmechanismus<br />
ist in den PISA Modulen redundant aufgebaut,<br />
so dass es auch bei einem Fehler<br />
oder Gerätedefekt zu keinen gefährlichen<br />
Situationen kommen kann.<br />
Beim PISA11.CLASS2 Module passt<br />
sich die Strombegrenzung automatisch<br />
der Versorgungsspannung an. Dies ist<br />
erforderlich, um eine maximal mögliche<br />
NEC-Class-2 konforme Nutzleistung zu<br />
bekommen. Bei den speisenden 24V-<br />
Stromversorgungen kann die Ausgangsspannung<br />
üblicherweise im Bereich<br />
von 24 bis 28V eingestellt werden. Ein<br />
Verstellen auf 28V (oder auf den Rechtsanschlag<br />
des Einstellreglers) darf natürlich<br />
die NEC-CLASS-2 Anforderungen nicht<br />
DC 24V<br />
Netzgerät<br />
z.B. 20A<br />
PISA11.CLASS2<br />
PISA<br />
Schutzmodul<br />
PISA11.CLASS2<br />
PISA<br />
Schutzmodul<br />
A1<br />
A2<br />
Bild 13:<br />
Aufbau mehrerer NEC-Class-2 Stromkreisen mit einer leistungsstarken<br />
Stromversorgung PISA11.CLASS2 und den PISA11.CLASS2
LASS2<br />
modul<br />
LASS2<br />
modul<br />
LASS2<br />
tion<br />
le<br />
LASS2<br />
tion<br />
le<br />