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Welche ist die beste Lösung zur Absicherung von Gleichstromkreisen?
Welche ist die beste Lösung zur Absicherung von Gleichstromkreisen? LS-Schalter oder eFuse
In diesem Blogartikel vergleichen wir einen traditionellen Leitungsschutzschalter und einen elektronischen Schutzschalter (ECB) mit integrierten eFuses. Dabei heben wir die Vorteile eines ECB in Bezug auf schnelleres und zuverlässigeres Auslösen, ohne hohen Auslösestrom, hervor.
In Zeiten von ungeregelten Trafonetzteilen haben sich traditionelle Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) als Hauptsicherungsmodule etabliert. Als in den 1990er-Jahren jedoch primär getaktete Schaltnetzteile vorgestellt wurden, lösten diese schnell die Trafonetzteile in industriellen Anwendungen ab.
Durch die neue Technologie ließen sich effizientere und kompaktere Stromversorgungen realisieren, die die gestiegenen Anforderungen der Industrie weitaus besser erfüllten. Die Ära der Trafos war vorbei, doch die LS-Schalter blieben und wurden einfach weiterhin in Verbindung mit primär getakteten Netzteilen auch DC-seitig eingesetzt. Inzwischen gibt es jedoch weitaus bessere und vor allem zuverlässigere Schutzmechanismen, wie z.B. elektronische Schutzschalter.
Leitungsschutzschalter vs. eFuse
Die größte Herausforderung ist, dass LS-Schalter ursprünglich für die AC-Seite der Anwendung entwickelt wurden und zum Auslösen für einige Millisekunden den mehrfachen Nennstrom benötigen. Diesen können viele Schaltnetzteile nicht liefern, da sie DC-seitig bei einem hohen Stromimpuls abschalten, um sich selbst und die angeschlossenen Verbraucher zu schützen.
Die Alternative zum klassischen Leitungsschutzschalter ist ein elektronischer Schutzschalter (engl. Electronic Circuit Breaker – ECB) mit integrierten eFuses. Diese Module, wie z.B. unsere PISA-Modelle, sind für die Stromverteilung und Absicherung von DC-Lastkreisen optimiert und benötigen keinen Spitzenstrom für eine schnelle Auslösung. Die Reaktionszeit, selbst bei geringer Überlast, erfolgt innerhalb von 1 ms.
In diesem Artikel erklären wir einige Unterschiede zwischen LS-Schaltern und ECB im Detail, die Ihnen helfen können, die richtige Lösung zu wählen.
Zulassung: LS-Schalter DC-seitig nur mit IEC 60947-2
Die meisten Leitungsschutzschalter wurden für die Absicherung von AC-Stromkreise entwickelt. Der Gedanke, dass man mit derselben Technik ebenso gut DC-Stromkreise absichern kann, ist ein Trugschluss.
Der Hauptgrund ist, dass die Lichtbogenbrennungs- und Lichtbogenlöscheigenschaften von AC und DC-Systemen unterschiedlich sind. Ein AC-Leitungsschutzschalter löst in einem DC-Stromkreis möglicherweise nicht zuverlässig aus. Möchte man einen LS-Schalter DC-seitig in industriellen Niederspannungsanlagen einsetzen, muss dieser deshalb der Norm IEC 60947-2 entsprechen. Diese Norm gilt für LS-Schalter, deren Hauptkontakte zum Anschluss an Stromkreise mit Bemessungsspannungen im Niederspannungsbereich von 1.000 V Wechselspannung oder 1.500 V Gleichspannung vorgesehen sind.
Auslösekennlinie: B-, C- oder Z-Charakteristik?
Bei der Auswahl eines Schutzschalters ist der Blick auf die Auslösecharakteristik wichtig. Es gibt verschiedene Auslösekennlinien, die für unterschiedliche Anwendungen in der Industrie geeignet sind. Um jedoch einen DC-Stromkreis zuverlässig abzusichern, ist es ratsam, einen LS-Schalter mit der Auslösekennlinie Z zu verwenden.
Da Schutzschalter mit dieser Auslösekennlinie jedoch teurer sind, werden in der Praxis meistens LS-Schalter mit der Auslösekennlinie B oder C verwendet. Wie die Grafik zeigt, lösen Schutzschalter mit einer Z-Charakteristik beim 2- bis 3-fachen des Nennstroms aus und sind damit deutlich flinker als LS-Schalter mit B-Charakteristik, die erst bei einem 3- bis 5-fachen Nennstrom auslösen, oder sogar einer C-Charakteristik, bei der das 5- bis 10-fache des Stroms benötigt wird.
Bei einem elektronischen Schutzschalter gestaltet sich die Auswahl der Auslösecharakteristik deutlich flexibler. Im Rahmen unserer PISA-M-Serie bieten wir eine „adjustable“ Version an, bei der sich die Auslöseströme und -charakteristik flexibel einstellen lassen. So kann bei der Auslösegeschwindigkeit zwischen einer flinken (max. 2 ms) und einer trägen (max. 10 ms) Charakteristik gewählt werden.
Die Stromwerte lassen sich für jeden der 4 Kanäle individuell festlegen, solange der Gesamtstrom von 20 A nicht überschritten wird. Mit einem ECB können Anwender somit deutlich flexibler auf verschiedene Lasten oder Systemerweiterungen reagieren.
Auslöser: Thermisch und magnetisch oder elektrisch?
Ein Leitungsschutzschalter hat zwei Arten von Auslösern integriert: thermische und magnetische Auslösemechanismen.
Die thermische Sicherung ist für die Auslösung des Leitungsschutzschalters bei Überlast verantwortlich. Abhängig von der Höhe des Stroms kann das Auslösen zwischen wenigen Sekunden bis zu 1-2 Stunden dauern. Für die thermische Auslösung ist das Bimetall im Schutzschalter verantwortlich. Wenn der Strom im Schutzschalter den Nennwert übersteigt, erwärmt sich das Bimetall und verformt sich, was den Abschaltemechanismus triggert. Da der Strom sowohl DC- als auch AC-seitig die gleiche Wärmeleistung hat, funktioniert unter den definierten Umgebungsbedingungen die thermische Auslösung bei Gleichstrom genauso wie bei Wechselstrom.
Die magnetische Sicherung ist für die Kurzschlussauslösung des Schutzschalters verantwortlich. Sie soll in einem bestimmten Auslösebereich (jede Auslösekennlinie hat ihren eigenen Bereich) innerhalb weniger Millisekunden auslösen. Das verantwortliche Bauteil dafür ist die Spule im Schutzschalter. Fließt ein sehr hoher Strom, bildet sich ein starkes Magnetfeld, das den Schalter auslöst.
Da der Spitzenwert des Wechselstroms die Größe des magnetischen Feldes bestimmt, muss man einen Korrekturfaktor der magnetischen Auslösung einberechnen, wenn man einen Schutzschalter in DC-Stromkreisen einsetzen will. Dieser Korrekturfaktor beträgt √2 oder 1,41. Die Sofortauslösebereiche für Schutzschalter mit unterschiedlichen Auslösekennlinien sind wie unten beschrieben.
Ein elektrischer Schutzschalter ermöglicht hingegen ein einfacheres und punktgenaues Auslösen der Kanäle. Der ECB misst kontinuierlich den Strom und die integrierte eFuse löst bei dem definierten Stromwert zuverlässig und blitzschnell aus. Dieser Prozess funktioniert unabhängig von äußeren Einflüssen, wie der Umgebungstemperatur, was ein großer Vorteil gegenüber LS-Schaltern ist. Ein ECB trägt unmittelbar zu einer höheren Systemverfügbarkeit bei. Ein elektronischer Schutzschalter (ECB) trägt direkt zu einer höheren Systemverfügbarkeit bei.
Temperaturabhängigkeit und “Rated Diversity Factor”
Wie bereits bei der thermischen Sicherung erklärt, ist das, für die Auslösung zuständige Bimetall temperaturabhängig. Das bedeutet: je höher die Umgebungstemperatur ist, desto mehr erwärmt sich auch das Bimetall und löst damit früher aus. Eine hohe Umgebungstemperatur führt dazu, dass der maximale Nennstrom, der im Schutzschalter fließt, reduziert werden muss, um ein ungewolltes Auslösen zu verhindern. Umgekehrt gilt: Bei niedrigen Temperaturen muss ein höherer Strom fließen, um das Bimetall ausreichend zu erwärmen, damit der Schutzschalter auslöst.
Auch die Einbausituation im Schaltschrank kann auf die thermische Sicherung einen Einfluss haben. Wenn mehrere Schutzschalter, ohne Abstand, nebeneinander betrieben werden, entsteht zwischen ihnen eine thermische Interaktion. Die Schutzschalter erwärmen sich gegenseitig, wodurch der maximale Nennstrom der Schutzschalter wiederum reduziert werden muss. Wie stark die Reduktion des Stroms durch eine erhöhte Temperatur des LS-Schalters in solchen Fällen ausfallen muss, wird vom Hersteller spezifiziert und als Rated Diversity Factor (RDF) bezeichnet.
Elektronische Schutzschalter sind wiederum temperaturunabhängig. Die Betriebstemperatur des PISA-M liegt bei -25 °C bis +70 °C bei voller Ausgangsleistung, also ohne Derating. Ein Rated Diversity Factor ist nicht notwendig.
Die Module lassen sich im Schaltschrank zudem ohne Mindestabstand zu anderen PISA-M-Einheiten installieren. Lediglich zu Wärmequellen, wie dem Netzteil muss ein Mindestabstand von 15 mm eingehalten werden.
Richtiges Schaltnetzteil auswählen
Genauso wichtig wie die Auswahl des richtigen Schutzschalters, ist die Entscheidung für das passende Netzteil. Dieser Aspekt wird häufig übersehen.
Die Praxis zeigt, dass der Kurzschlussstrom eines 10 A Netzteils für eine Gesamtlast von 7 A unter Umständen nicht ausreicht, um den LS-Schalter auszulösen und die fehlerhafte Last zu isolieren. Denn bei einer Last von 7 A wird in der Regel ein 10 A LS-Schalter eingesetzt. Das bedeutet, wenn ein LS-Schalter mit der Charakteristik B benutzt wird, müsste das 10 A Netzteil als Kurzschlussstrom zwischen 30 A und 50 A liefern, um den Schalter auszulösen. So viel Strom können die meisten 10 A Netzteile nicht liefern, da sie sich zum Selbstschutz vorher abschalten. Dadurch werden alle mit dem Netzteil verbundenen Lasten nicht mehr versorgt, auch wenn bei ihnen gar kein Fehler vorliegt.
Um dieses Problem zu vermeiden, kann ein Netzteil eingesetzt werden, das über ein Fuse-Breaking-Feature verfügt und für einige Millisekunden das 5-6-fache des Nennstroms bereitstellt. Alternativ muss das Netzteil überdimensioniert werden. Das bedeutet, man greift auf eine höhere Leistungsklasse zurück. Beide Lösungen haben jedoch ihre Nachteile: Anwender zahlen unter Umständen für Funktionen, die sie nicht benötigen und ein größeres Netzteil benötigt zudem mehr Platz im System. Selbst mit einem perfekt auf die LS-Schalter abgestimmten Netzteil kann es vorkommen, dass der Kurzschlussstrom für das Auslösen nicht ausreicht – beispielsweise dann, wenn der Gesamtwiderstand des Kurzschlusspfads zu groß ist.
Möchte man ein Netzteil hingegen mit einem elektronischen Schutzschalter kombinieren, ist lediglich der verfügbare maximale Ausgangsstrom des Netzteils für die Entscheidung relevant. Bei einem ECB vom Typ PISA-M empfehlen wir beispielsweise ein Netzteil mit mindestens 90 W Ausgangsleistung. Die Auswahl gestaltet sich somit deutlich flexibler.
Fazit
Die Auswahl des richtigen Leitungsschutzschalters erfordert ein genaues Verständnis der Anwendung und eine sorgfältige Systemplanung. All das kostet Zeit, Engineering-Ressourcen und letztlich Geld.
Bei jeder kleinen Änderung in der Anwendung muss erneut ermittelt werden, ob durch die Leitungsschutzschalter noch ein ausreichender Schutz der vorhandenen Verbraucher gewährleistet ist. Mit einem elektronischen Schutzschalter lässt sich dieser Aufwand deutlich reduzieren. Neben der Verkabelung muss lediglich die Konfiguration der Ausgangsströme vorgenommen werden.
Unsere PISA-Module mit integrierten eFuses schützen die Verbraucher durch absolut zuverlässiges Auslösen betroffener Kanäle, unabhängig von der Last, Temperatur, dem Netzteil oder dem Gesamtwiderstand des Kurzschlusspfads.
