Zero Cross Switching mit Leistungsrelais

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Panasonic Electric Works Europe AG

Technische Umsetzung der Nulldurchgangsschaltung

Viele bekannte Hersteller von Gebäude- und Hausautomation setzen in ihren Schaltlösungen von Steckdosenleisten bis Unterputzeinsätzen intelligente Systeme mit Mikrocontrollern ein.

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Diese technische Grundlage kann genutzt werden, um das Relais im richtigen Zeitpunkt, nämlich dem Spannungsnulldurchgang zu schalten. Neben dem Herzstück der Schaltung, dem Mikrocontroller, sind folgende Schaltungskomponenten notwendig:

• Optokoppler,

• Strommessspule,

• Verstärkerschaltung am Ausgang zur Ansteuerung der Relaisspule(n) (abhängig vom möglichen Ausgangsstrom des Mikrocontrollers am digitalen Ausgang).

Die Funktionsweise der Elemente und deren Zusammenspiel wird im Folgenden anschaulich beschrieben. Zunächst detektiert ein Optokoppler in seinem Eingangskreis die Nulldurchgänge der Versorgungsspannung, überträgt diese mittels Infrarotstrahlung (optisches Signal) auf einen Fototransistor am Ausgangskreis und erzeugt ein entsprechendes Signal, welches von einem digitalen Eingang des Mikrocontrollers erfasst wird.

Ein implementierter Flankentrigger wertet dieses Signal im Mikrocontroller aus und schafft die Grundlage für ein zeitlich genau gesteuertes Schalten der Relaisspule oder der Relaisspulen. Zusätzlich zur Information über den Zeitpunkt des Spannungsnulldurchganges ist darüber hinaus zu beachten, dass elektromechanische Relais eine Anzugs- und Abfallzeit aufgrund von mechanischer Trägheit im einstelligen Millisekunden-Bereich aufweisen.

Diese Werte können durch Messungen im Labor des Relaisherstellers dokumentiert und dem Anwender als Referenzwert zur Verfügung gestellt werden. Um dies zu ermöglichen, ist der entsprechende Mittelwert im EPROM-Speicher des Mikocontrollers zu hinterlegen. Nachdem jedoch die initialen Anzugs- und Abfallzeiten für den gleichen Relaistypen um bis zu 2 ms differieren können und ferner über die Lebensdauer durch Effekte wie z.B. Kontaktabbrand und damit einhergehender Abnahme des Kontaktüberhubes sowie Kontaktwanderung einer weiteren Drift unterliegen, ist die Implementierung einer Strommessung empfehlenswert.

Der Messwandler nutzt hierfür das transformatorische Prinzip, bei dem die Primärwicklung durch die Lastzuleitung abgebildet wird. Dadurch kann der Einschaltstrom beim Schaltvorgang über den im Sekundärkreis induzierten Strom mithilfe eines analogen Eingangs am Mikrocontroller erfasst und ausgewertet werden. Liegt der Einschaltstrom über den im Entwicklungszustand definierten Sollwert, wird automatisch durch die Software der Schaltzeitpunkt angepasst. Dadurch ist eine Regelschleife geschaffen, welche den Einschaltstrom auf den minimal möglichen Wert regelt und dadurch die Lebensdauer der Schaltkontakte um das bis zu 10-fache erhöht.

Mehrwert Zero Cross – Kosten- und Größenvorteile bei Relais

In nächster Konsequenz ist die Verwendung kleiner und kostengünstiger Relais möglich. Gerade in den oben beschriebenen Anwendungsfeldern der Gebäude- und Hausautomation sind Baugröße und Kosteneffizienz sowie Langlebigkeit die entscheidenden Kaufargumente. Die positiven Auswirkungen der Kontaktschonung durch Zero Crossing sind in Bild 3 veranschaulicht.

Die Mikrocontroller-gesteuerten Schaltkontakte des in der Untersuchung verwendeten Relais DE1a-L2-5V sind in Bild 3a nach 12 000 Schaltspielen aufgenommen, wohingegen in Bild 3b zufällige Ein- und Ausschaltzeitpunkte zu sehr deutlichen Abnutzungserscheinungen bzw. Ausfällen nach weniger als 500 Schaltspielen führen. Als Last diente eine Kombination aus einem 440-µF-Kondensator und einer 25-W-Entladungslampe.

„Zero Crossing“ stellt somit einen enormen Mehrwert dar. Neben der Lebensdauerverlängerung gegenüber anderen Schaltkonzepten ist auch die Einsatzfähigkeit von kleineren und kostengünstigen Relais, wie z.B. das bistable DW-H-, DE- oder DSP-Relais überzeugend. Bistabile Relaissysteme benötigen für den Wechsel von Schaltzuständen nur kurze Ansteuerimpulse, nach denen das integrierte Magnetsystem den Anker und damit die Schaltkontakte in einer definierten Stellung halten. Dafür ist eine weitere Bestromung der Relaisspule nicht mehr notwendig.

Somit entfällt, wie bei monostabilen System üblich, eine dauerhafte Ansteuerung und die damit einhergehenden Spulenverlustleistungen. Neben der Energieeffizienz sind hierbei auch noch die erhöhten Kontaktkräfte sowie die verbesserten Schock- und Vibrationseigenschaften von bistabilen Systemen zu nennen. Tabelle 1 gibt einen technischen Überblick zu bistabilen Leistungsrelais der Firma Panasonic.

* B. Eng. Benjamin Miedl ist Applikationsingenieur in der Abteilung Power Relays bei Panasonic Electric Works Europe in Holzkirchen.

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