Zero Cross Switching mit Leistungsrelais

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Panasonic Electric Works Europe AG

Spannungsnulldurchgang – Relaiskontakte leben länger

In der europäischen Gebäude- und Haustechnik liegt eine sinusförmige Wechselspannung von 230 V vor. Die Nennfrequenz von 50 Hz führt zu einem periodischen Nulldurchgang der Versorgungsspannung in zeitlichen Abständen von 10 ms.

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Das größte Potenzial für die Lebensdauerverlängerung von Relaiskontakten weist deshalb das gezielte Schalten der Relaiskontakte in den vorhandenen Spannungsnulldurchgängen der Energieversorgung auf. Realisiert man über eine intelligente Ansteuerung ein gezieltes Schalten der Relaiskontakte im Spannungsnulldurchgang, reduzieren sich die auftretenden Einschaltströme auf weniger als 1/3 bezogen auf den ungünstigsten Fall, dem Einschalten im Spannungsmaximum. Daraus resultiert eine deutlich geringe Belastung der Kontakte und eine bis zu 10-fach erhöhte Lebensdauer der Schaltkontakte.

Diese Erkenntnisse wurden in einem eigens dafür entwickelten Laboraufbau bei Panasonic gesammelt. Die Schaltung umfasst eine Spannungsversorgung von 120 V/60 Hz, einen Brückengleichrichter inklusive eines Glättungskondensators mit 200 µF sowie einen 500-?-Widerstand als Last. Bild 1 zeigt die verschiedenen Einschaltzeitpunkte der Versorgungsspannung und die dabei auftretenden Einschaltströme.

Die Oszilloskop-Ausschnitte in Bild 2 stellen die Größe und den Verlauf des Einschaltstromes zu den Schaltzeitpunkten A, B und C dar. Die entsprechende Achsenskalierung ist analog zu Bild 1.

Die Messergebnisse veranschaulichen, dass die kritischsten Einschaltzeitpunkte für die Schaltkontakte in den positiven sowie negativen Spannungsmaxima der Netzversorgung liegen. Die dabei auftretenden Einschaltströme können einen bis zu 600-fachen Wert des Nennstroms (wie im vorliegenden Beispiel I = 170 V / 500 ? = 0,34 A) annehmen. Der Versuchsaufbau verwendet statt der in Europa üblichen 230 V/50 Hz eine Versorgungsspannung von 120 V/60 Hz.

Für sinusförmige Spannungen gilt allgemein, dass sich der Spannungsspitzenwert U_s aus dem Effektivwert (120 oder 230 V) mal dem Faktor Wurzel 2 berechnet. Damit stellt sich für den Spannungseffektivwert von 120 bzw. 230 V eine Spitzenspannung U_s von 170 bzw. 325 V ein.

Lenkt man nun den Blick wieder auf reale Applikationen, ist es möglich, dass zahlreiche LED mit integriertem Sockelkondensator parallel geschaltet sind und dadurch der Gesamtkapazitätswert (C) enorm ansteigt. Genauso ist die Verwendung von entsprechend dimensionierten Netzteilen mit großem Glättungskondensator möglich.

Nach bekannter Formel I_c = C * dU/dt führt dies zu einer enormen Erhöhung der auftretenden Einschaltströme. Die anfangs angeführten 600 A sind dadurch kein Schreckgespenst, sondern eine reale applikationsbezogene Größe.

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