Schutzbeschaltung

Eine Schutzbeschaltung ist allgemein eine zusätzliche elektrische Schaltung, die dafür sorgt, dass schädigende hohe elektrische Spannungen, die z. B. beim Abschalten von elektromagnetischen Geräten (z. B. Relais, Netztransformatoren, Schützspulen) durch Selbstinduktion entstehen, begrenzt oder von empfindlichen Bauteilen ferngehalten werden. Teilweise wird damit auch die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit verringert. Beides trägt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und Lebensdauer sowie zu einer verringerten Störemission beziehungsweise Störimmunität – EMV (verbesserte Elektromagnetische Verträglichkeit) bei.

Eine Schutzbeschaltung an geschalteten induktiven Lasten im Speziellen ist Artikelgegenstand und mindert die Spannungsspitzen beim Abschalten beispielsweise von Spulen, Zugmagneten, Magnetventilen, Motoren usw. soweit, dass keine Bauteile beschädigt werden. Die Höhe der Spannungsspitzen hängt bei Wechselspannung vom Abschaltzeitpunkt (von der momentanen Phasenlage) ab.

Grundlagen

Datei:Relais induktivität.svg

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.<ref>Induktivität und Schutzbeschaltung</ref>

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.<ref>{{#switch:

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Es gibt folgende Schaltungsvarianten für Schutzbeschaltungen:<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20090605164404

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Varianten für Gleichspannung

Freilaufdiode

Datei:Schutzbeschaltung-diode.svg

Beschaltung mit Diode

Bei dieser Schaltungsvariante wird eine Diode in Sperrrichtung parallel zur Spule angeschlossen (Fangdiode, Freilaufdiode). Da die Polarität der Selbstinduktionsspannung der vorher angelegten Spannung entgegengesetzt ist, wird der Strom nach dem Abschalten über die Diode geleitet und klingt, ohne eine nennenswerte Spannungsspitze zu verursachen, ab. Die Spannungsspitze der Selbstinduktionsspannung wird auf die Schwellspannung der verwendeten Diode begrenzt. Dementsprechend ausgerüstete Relais besitzen eine gekennzeichnete Polarität der Anschlüsse, da die Schutzdiode bei Verpolung zerstört wird. Abhilfe kann ein vorgeschalteter Gleichrichter schaffen. Nachteilig ist, dass die Fangdiode zu hohen Abfallverzögerungen bei Relais oder Schützen führt. Ursache ist der langsam abklingende Stromfluss durch die Spule. Abhilfe schafft folgende Variante.

Diode und Zenerdiode

Datei:Schutzbeschaltung-z-diode.svg

Beschaltung mit Z-Diode

Hierbei wird eine Zenerdiode in Reihe mit einer Diode geschaltet. Erreicht die Induktionsspannung die Höhe der Zenerspannung + Schwellspannung der Diode, wird der Strom über die beiden Bauelemente geleitet. Vorteilhaft ist die geringe Abfallverzögerung bei Relais – der Spulenstrom kann wesentlich schneller abklingen. Die gespeicherte Energie der Magnetspule gelangt in die Z-Diode und wird dort zu Verlustwärme. Die Induktionsspannung wird auf <math>U_\text{ZD}+U_\text{D}</math> begrenzt.

TVS-Diode

Suppressordiode, auch Transient Voltage Suppressor genannt, sind spezielle Dioden zum Schutz elektronischer Schaltungen vor kurzzeitigen Spannungsimpulsen. Die Suppressordiode ist bi- und unidirektional verfügbar. Letztere ist eine seit den 1990er Jahren marktgängige Weiterentwicklung der damals schon Jahrzehnte existierenden Zenerdiode. Neue Verfahren machten es möglich, das Ableitvermögen in Durchbruchrichtung drastisch zu erhöhen.

Die unidirektionale Version kann hierbei anstelle der Zenerdiode in vorstehender Schaltung eingesetzt werden, was jedoch in den meisten Fällen keine Vorteile bringt und aus Kostengründen nur selten verwendet wird.

Die bipolare Variante kann auch bei Anregung mit Wechselspannung direkt als Ersatz für den Varistor in der folgenden Schaltung verwendet werden. Dort bietet sie den Vorteil einer genauer definierten Spitzenspannung, ist jedoch, ebenfalls aus Kostengründen, nur selten zu finden.

Varianten für Wechselspannung

Varistor

Datei:Schutzbeschaltung-vdr.svg

Beschaltung mit Varistor

Bei dieser Schaltungsvariante wird die Eigenschaft eines Varistors (VDR) genutzt, ab einer bestimmten Schwellspannung niederohmig zu werden. Dadurch wird die Selbstinduktionsspannung begrenzt. Varistoren besitzen ein hohes Energieabsorptionsvermögen, vertragen jedoch keine Dauerlast. Häufiges Schalten ist daher meist nicht möglich. Die Schaltung bewirkt kaum Abfallverzögerung. Nachteilig ist, dass die Induktionsspannung sehr schnell bis auf die Schwellspannung <math>U_\text{VDR}</math> steigt. Die Höhe der Spannungsspitze der Selbstinduktionsspannung ist vom verwendeten Varistortyp abhängig.

RC-Glied

Datei:RCbesch.png

Beschaltung mit RC-Glied

Die Schutzbeschaltung mittels RC-Glied (siehe Snubber, auch Boucherot-Glied genannt) ist eine Methode zum Schutz von Schaltkontakten gegen Kontaktabbrand sowie gegen Störspannungen beim Abschalten einer Wechselspannungslast (Schützspule). Die Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator bewirkt beim Abschaltvorgang, dass der Strom in einer gedämpften Schwingung ausklingt.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20160304031849

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  }}{{#ifexpr: {{#if:20160304031849|1|0}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}}{{#if:|+1}} <> 1
    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Genau einer der Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive-today', 'archive-is' oder 'archiv-url' muss angegeben werden.|1}}
  }}{{#if: 
    | {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|{{{archiv-url}}}}}
        | web.archive.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von Internet Archive erkannt, bitte Parameter 'wayback' benutzen.|1}} 
        | webcitation.org = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von WebCite erkannt, bitte Parameter 'webciteID' benutzen.|1}} 
        | archive.today |archive.is |archive.ph |archive.fo |archive.li |archive.md |archive.vn = 
          {{#if:  || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von archive.today erkannt, bitte Parameter 'archive-today' benutzen.|1}}
      }}{{#if: 
         | {{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|Vorlage:FormatDate/Wartung/Error}}
             | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Wert des Parameter 'archiv-datum' ist ungültig oder hat ein ungültiges Format.|1}}
          |  }} 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Pflichtparameter 'archiv-datum' wurde nicht angegeben.|1}}
      }}
    | {{#if: 
         | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Parameter 'archiv-datum' ist nur in Verbindung mit 'archiv-url' angebbar.|1}}
      }}
  }}{{#if:{{#invoke:URLutil|isHostPathResource|http://wschuster.bplaced.net/Bulme/Schutzbeschaltung.pdf}}
    || {{#if:  || }} URL/Pfad ungültig.
  }}{{#if: Höhere Technische Bundes-, Lehr- und Versuchsanstalt Bulme Graz-Kösting Schutzbeschaltung beim Schalten induktiver Lasten
    | {{#if: {{#invoke:WLink|isBracketedLink|Höhere Technische Bundes-, Lehr- und Versuchsanstalt Bulme Graz-Kösting Schutzbeschaltung beim Schalten induktiver Lasten}}
        | {{#if:  || }} Linktext ungültig.
      }}
    | {{#if:  || }}Vorlage:Webarchiv/Wartung/Linktext_fehlt Linktext fehlt.
  }}{{#switch: 
    |addlarchives|addlpages= {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/Parameter}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
  }}{{#ifeq: {{#invoke:Str|find|http://wschuster.bplaced.net/Bulme/Schutzbeschaltung.pdf%7Carchiv}} |-1
    || {{#ifeq: {{#invoke:Str|find|{{#invoke:Str|cropleft|http://wschuster.bplaced.net/Bulme/Schutzbeschaltung.pdf%7C4}}%7Chttp}} |-1
         || {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://wschuster.bplaced.net/Bulme/Schutzbeschaltung.pdf }}
              | abendblatt.de | daserste.ndr.de | inarchive.com | webcitation.org = 
              | #default = {{#if:  || }}{{#if: 1 |Vorlage:Webarchiv/Wartung/URL}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Archiv-URL im Parameter 'url' anstatt URL der Originalquelle. Entferne den vor der Original-URL stehenden Mementobestandteil und setze den Archivierungszeitstempel in den Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive.today' oder 'archive-is' ein, sofern nicht bereits befüllt.|1}}
            }} 
       }}
  }} (PDF; 389 kB)</ref> Beim Einschaltvorgang verhindert der Widerstand, dass die Kondensatorladung schlagartig mit hohem Strom über den Schaltkontakt erfolgt. Die Bauteile müssen so dimensioniert werden, dass der Schaltkontakt beim Einschalten nicht überlastet wird und dass die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Ausschalten so gering ist, dass sich die Schaltkontakte ohne Funke voneinander lösen können.

Der Abschaltvorgang kann mit einem Oszilloskop kontrolliert werden. Die Scheitelspannung der gedämpften Schwingung über dem Schaltkontakt bzw. an der Spule ist abhängig von der gewählten RC-Kombination. Der Kondensator muss die verbleibende Überspannungsspitze ertragen, der Widerstand muss kurzzeitig die Betriebsspannung ertragen (Impulsbelastung).

Widerstand

Datei:Schutzbeschaltung-widerstand.svg

Beschaltung mit Widerstand

Diese Schutzbeschaltung besitzt entweder eine geringe Schutzwirkung oder verursacht erhebliche zusätzliche Verluste, sie ist daher unüblich. Sie ist sowohl für Gleich- als auch für Wechselspannung geeignet. Nachteilig ist, dass der Widerstand bei einem Relais zum verzögerten Abschalten führt. Ist der Widerstand bei Gleichspannung so dimensioniert, dass er den zweifachen und maximal den sechsfachen Wert des Spulenwiderstandes <math>R_\text{Spule}</math> hat<ref>Dieter Brockers: Lexikon Widerstände. Gino Else GmbH Elektrotechnische Fabrik, 1998</ref>, wird die Spannungsspitze über der Spule auf den 2- bis 6-fachen Wert <math>U_\text{Spule}</math> reduziert. Die Spannung steigt sehr schnell an, sodass Kontaktabbrand eventuell nicht wirksam verhindert werden kann.

Literatur

Franz Pigler: EMV und Blitzschutz leittechnischer Anlagen. Siemens Aktiengesellschaft, Publicis Corporate Publishing 2001, ISBN 978-3-8009-1565-1
Klaus Bystron: Leistungselektronik Technische Elektronik Band II. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1979, ISBN 3-446-12131-5

Einzelnachweise