Schutzbeschaltung

Als Schutzbeschaltung bezeichnet man einen elektrischen Schaltungszusatz, der aus verschiedenen elektrischen Bauelementen besteht und dafür sorgt, dass schädigende hohe Spannung, die beim Abschalten von elektromagnetischen Geräten (z. B. Relaisspulen) entsteht, nicht auftritt. Eine Schutzbeschaltung soll die Spannungsspitzen beim Abschalten von induktiven Lasten so mindern, dass keine Bauteile beschädigt werden. Die Höhe der Spannungsspitzen hängt von dem zufälligen Abschaltzeitpunkt (Phasenlage) ab.

Schutzbeschaltungen sind in der Kfz-Elektrik und in vielen Bereichen der elektrischen Steuerungstechnik üblich.

Grundlagen

Relais haben induktive Eigenschaften

Wird eine elektrische Spule abgeschaltet bricht das Magnetfeld in ihr zusammen und es entsteht eine Selbstinduktionsspannung. Die Höhe der Selbstinduktionsspannung ist von mehreren Faktoren abhängig. Besonderen Einfluss auf die Höhe der Selbstinduktionsspannung hat die Windungszahl der Spule. Bei Spulen mit hohen Windungszahlen kann die Selbstinduktionsspannung bis auf den zehn- bis zwanzigfachen Wert der angelegten Betriebsspannung ansteigen. Diese hohen Selbstinduktionsspannungen können elektronische Bauelemente zerstören oder bei Schaltkontakten zum Überschlag und zum Kontaktabbrand führen.^[1]

Schaltungsvarianten

Als Schutzbeschaltung werden Bauelemente verwendet, die die normalen Betriebsvorgänge nicht beeinflussen aber Störspannungen oder Störströme ableiten können. Schutzbeschaltungen werden auch mit integrierter Betriebsanzeige hergestellt.^[2]

Es gibt folgende Schaltungsvarianten für Schutzbeschaltungen:^[3]

• Schutzbeschaltung mit Diode
• Schutzbeschaltung mit Diode und Zenerdiode
• Schutzbeschaltung mit Varistor
• Schutzbeschaltung mit RC-Glied
• Schutzbeschaltung mit Widerstand

Schutzbeschaltung mit Diode

Beschaltung mit Diode

Bei dieser Schaltungsvariante wird eine Diode in Sperrrichtung an die Spule angeschlossen. Da die Polarität der Selbstinduktionsspannung der angelegten Spannung entgegengesetzt ist, wird die Spannung über die nun durchlässige Diode abgeleitet und der Strom fließt über die Spule.^[4] Die Dimensionierung der Schaltung und der verwendeten Bauteile ist unkritisch. Die Schaltung ist einfach aufzubauen. Damit es nicht durch Falschpolung zum Zerstören der Schutzdiode kommt, werden bei Relais entweder Verpolungsschutzdioden eingebaut oder die Polarität der Anschlüsse wird gekennzeichnet. Die Schutzfunktion ist sehr zuverlässig, da sie selbst geringe Selbstinduktionsspannungen ableitet. Die Spannungsspitze der Selbstinduktionsspannung wird auf die Schwellspannung der verwendeten Diode begrenzt. Nachteilig ist, dass diese Schaltungsvariante nur für Gleichspannung geeignet ist und dass es bei Relais zu hohen Abfallverzögerungen der Relaiskontakte kommt. Dies kann bei Relaiskontakten aufgrund der verlängerten Schaltlichtbogendauer zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Schaltkontakte führen. Deshalb ist diese Variante der Schutzbeschaltung bei hohen Schaltlasten nicht so gut geeignet.^[5]

Schutzbeschaltung mit Diode und Zenerdiode

Beschaltung mit Z-Diode

Hierbei wird eine in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode in Reihe mit einer Diode geschaltet. Überschreitet die Induktionsspannung die Höhe der Zenerspannung + Schwellspannung der Diode, wird sie über die beiden Bauelemente abgeleitet. Vorteilhaft ist hier die sehr geringe Abfallverzögerung und der einfache Schaltungsaufbau. Die Dimensionierung der Bauteile ist unkritisch. Allerdings ist diese Schaltung nur für Gleichspannung geeignet und es erfolgt keine Induktionsspannungsbedämpfung unterhalb U_ZD. Bei falscher Polung kann es zur Zerstörung der Schutzbeschaltung durch Überlastung kommen.

Schutzbeschaltung mit Varistor

Beschaltung mit Varistor

Bei dieser Schaltungsvariante wird die Eigenschaft des VDR-Widerstandes ausgenutzt, ab einer bestimmten Schwellspannung niederohmig zu werden. Dadurch wird die Selbstinduktionsspannung kurzgeschlossen. Vorteilhaft ist die unkritische Dimensionierung von VDR-Widerständen. Sie besitzen eine hohe Energieabsorption und sind für den Wechselspannungseinsatz geeignet. Der Schaltungsaufbau ist sehr einfach und bewirkt bei Relaisspulen nur eine geringe Abfallverzögerung. Nachteilig ist, dass die dämpfende Wirkung erst oberhalb der Schwellspannung U_VDR eintritt. Die maximale Spannungsspitze der Selbstinduktionsspannung ist deshalb von der Kennlinie (Zündspannung U_VDR) des verwendeten Varistortyps abhängig.

Schutzbeschaltung mit RC-Glied

Beschaltung mit RC-Glied

Die Schutzbeschaltung mittels RC-Glied ist eine sehr einfache, aber dennoch sehr wirksame Schaltung. Diese Schaltung wird auch als Snubber oder als Boucherot-Glied bezeichnet. Sie wird überwiegend zum Schutz von Schaltkontakten verwendet. Die Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator bewirkt beim Abschaltvorgang, dass der Strom in einer gedämpften Schwingung ausklingen kann.^[6] Beim Einschaltvorgang verhindert der Widerstand, dass sich die volle Kondensatorladung über den Schaltkontakt entlädt. Die Schutzbeschaltung mittels RC-Glied ist sehr gut geeignet für Wechselspannung. Bedingt durch die Energiespeicherung im Kondensator wird eine HF-Dämpfung erwirkt. Außerdem kommt es zur sofortigen Abschaltbegrenzung. Allerdings muss die Schaltung genau dimensioniert werden.

Der Widerstand R des RC-Gliedes wird dabei entsprechend der folgenden Formel dimensioniert:

$R \approx R_L$

Die Größe des Kondensators lässt mit folgender Formel ermitteln:

$C = \frac {4 * L}{R_\text{Ges}{^2}}$

Der Abschaltvorgang lässt sich mittels eines Oszillogramms ermitteln und dokumentieren. Die Spannungsspitze am Schaltkontakt ist abhängig von der gewählten RC-Kombination. Ist die Kapazität des Kondensators richtig dimensioniert, liegt nur eine kleine Kontaktspannung an. Die Kontaktspannung wird bei richtiger Dimensionierung durch den Widerstand des RC-Gliedes bestimmt.^[7]

Schutzbeschaltung mit Widerstand

Beschaltung mit Widerstand

Dies ist die einfachste Variante einer Schutzbeschaltung, die aber auch nur eine geringe Schutzwirkung besitzt. Allerdings ist diese Schutzbeschaltung sowohl für Gleich- als auch für Wechselspannung geeignet. Nachteilig ist, dass bei eingeschalteter Spule ein Dauerstrom über den Widerstand fließt und das der Widerstand bei einem Relais ein stark verzögertes Abschaltverhalten der Relaiskontakte bewirkt. Die Spannungsspitze wird durch den Widerstand auf 2-6 mal U_Spule reduziert. Der Widerstand wird so dimensioniert, dass er mindestens den zweifachen und maximal den sechfachen Wert des Spulenwiderstandes R_Spule beträgt.^[8]

Literatur

• Franz Pigler: EMV und Blitzschutz leittechnischer Anlagen. Siemens Aktiengesellschaft, Publicis Corporate Publishing 2001, ISBN 978-3800915651
• Klaus Bystron: Leistungselektronik Technische Elektronik Band II. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1979, ISBN 3-446-12131-5

Einzelnachweise

1. ↑ Induktivität und Schutzbeschaltung
2. ↑ Ventilsteckverbinder mit Schutzbeschaltung und integrierter Betriebsanzeige
3. ↑ Moeller Schaltungsbuch Schutzbeschaltung
4. ↑ Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3
5. ↑ Relais-klein aber kräftig Panasonic Electronic Works
6. ↑ Höhere Technische Bundes-, Lehr- und Versuchsanstalt Bulme Graz-Kösting Schutzbeschaltung beim Schalten induktiver Lasten
7. ↑ Markus Bichler: Technische Lösungen zur Reduzierung von Lichtbögen
8. ↑ Dieter Brockers: Lexikon Widerstände. Gino Else GmbH Elektrotechnische Fabrik, 1998

Siehe auch

• Überspannungsschutz