Schutz des Ausgangs beim DC-Schalten induktiver Lasten (Überspannungsbegrenzung)

Mit den Digitalausgängen können induktive Lasten geschaltet werden, sofern dafür gesorgt wird, dass die beim Abschalten entstehende Energie außerhalb des Ausgangs verbraucht wird. Der Schwerpunkt dieser Betrachtung liegt auf DC-erregten Lasten (in der Industrie üblicherweise 5–24 V DC).

Dazu sind zwei Felder zu betrachten.

Induktive Lasten, wie elektromechanische Relais, Schütze oder Spulen, wollen in ihrem Beharrungszustand bleiben. Beendet der Treiber (in unserem Beispiel der digitale Ausgang von Beckhoff) seine Versorgung (indem er abgeschaltet wird), möchte die Spule den Strom aufgrund ihrer gespeicherten magnetischen Energie weiterfließen lassen und „saugt“ Strom aus dem Schaltausgang, bis die magnetische Energie in parasitären Effekten verbraucht ist. Ohne weitere Maßnahme kommt es zu einer hohen, negativen Spannung (je nach Last einige 10 bis 1000 V) am Schaltausgang (Stichwort: Selbstinduktion der Spule), die diesen eventuell sofort zerstört oder bei wiederholtem Auftreten bis zur Zerstörung schädigt. Dies gilt für Halbleiter-Schaltausgänge (z. B. EL20xx, EL28xx) wie für Relais-Schaltausgänge (z. B. EL26xx).

Ebenso nachteilig ist, dass diese hohe, kurze Spannung (auch „Transiente“ genannt) im Bereich kV/µs eine enorme elektromagnetische Abstrahlung erzeugt und damit benachbarte Geräte und Leitungen kapazitiv stört. Etwaige Dämpfungs-/Löschbauteile sollten deshalb bevorzugt lastnah (also am Entstehungsort) gesetzt werden, damit die Transienten gar nicht erst auf die Leitung gelangen.

Es gibt u.a. folgende Maßnahmen, die in Betracht gezogen werden können (die beigefügten Abbildungen zeigen beispielhaft ein Relais als gängige induktive Last).

1. Widerstand parallel zur Induktivität

Schutz des Ausgangs beim DC-Schalten induktiver Lasten (Überspannungsbegrenzung) 1:Abb.23: Widerstand parallel zur Induktivität

Es handelt sich um eine sehr einfache Methode, bei der jedoch ständig Strom nutzlos an der Spule vorbeifließt. Diese Schaltung ist auch als Snubber-Netzwerk oder Boucherot-Glied bekannt.

Hinweis: Bei AC-Anregung ist ein RC-Glied üblich. Für einen optimalen Betrieb (Zeitverhalten, Verlustleistung) muss es jedoch sehr genau ausgelegt werden.

2. Lösung mit Halbleitern

Schutz des Ausgangs beim DC-Schalten induktiver Lasten (Überspannungsbegrenzung) 2:Abb.24: Kurzschlussdiode an der Induktivität, Freilaufdiode

Diese Lösung ist bei DC-Erregung oft die zweckmäßigste und sollte zuerst in Betracht gezogen werden. Sie schützt den Ausgang zuverlässig, da die Selbstinduktionsspannung auf ca. -1 V begrenzt wird (bei Verwendung einer Schottky-Diode noch weniger). Zudem ist sie meist einfach zu dimensionieren, da bei kleinen DC-Induktivitäten kaum Leistung über die Diode abfällt.

Allerdings fällt die Induktionsspannung nur sehr langsam ab (einige ms), was für Relais als Schaltlast oder bei gewünschter schneller Abschaltung nachteilig sein kann.

Hinweis: Bei erwarteten Spannungsausfällen kann dieser Selbsthalteeffekt jedoch auch gewollt sein, damit das Relais nicht zu früh abfällt..

Schutz des Ausgangs beim DC-Schalten induktiver Lasten (Überspannungsbegrenzung) 3:Abb.25: Beispielschaltung mit Z-Diode
Schutz des Ausgangs beim DC-Schalten induktiver Lasten (Überspannungsbegrenzung) 4:Abb.26: Beispielschaltung mit bidirektionaler Supressordiode (Transient Voltage Suppressor)

Diese Lösung sorgt für ein relativ schnelles Abfallen der Last (ggf. ein Relais). Die Spule wird nicht kurzgeschlossen, sondern muss ihre Energie bei höherer Spannung abbauen. Somit kann das Magnetfeld schnell zusammenbrechen. Zu beachten ist, dass der Halbleiter dabei sehr warm werden kann.

Die Sperrspannung der Zener-Diode muss deutlich höher als die reguläre Betriebsspannung sein da sonst kein normaler Betrieb möglich ist. Bei einem 24-V-Industriesystem (zulässig sind meist bis ca. 29 V) beträgt sie beispielsweise 35 V. Solche Dioden werden auch gerne in 24-V-Versorgungen zum temporären Kurzschließen von Transienten benutzt!

Die Auslegung der halbleiterbasierten Überspannungsbegrenzung ist leider nicht trivial, es sind folgende Punkte zu beachten:

  1. Wie viel (magnetische) Energie muss abgebaut werden?
    Ist die Induktivität der Last sowie der Nennstrom bekannt, kann die in der Spule gespeicherte Energie über die Formel W [J] = 1/2 * L [H] * I^2  berechnet werden. Leider geben viele Hersteller die Induktivität nicht an, sodass sie ggf. messtechnisch ermittelt werden muss.
  2. Welche Abschaltenergie [J, Ws, VAs] hält der Schaltausgang selbst aus und ist dieser Wert ggf. ausreichend? Siehe technische Daten.
  3. Wie oft muss die Energie abgebaut werden (Schaltfrequenz, -häufigkeit)?
  4. Die erreichbare Leistungsfähigkeit des Schutzbauteils ist leider nicht einfach zu erfassen, da sie insbesondere davon abhängt, wie die entstehende Wärme abgeführt wird (mechanische Anbindung = thermischer Widerstand -> Installationskosten), von der Impulshäufigkeit und der tolerierbaren Restspannungshöhe.
  5. Insgesamt ist zur Auslegung also meist ein experimenteller, anlagenspezifischer Ansatz nötig, der mit handelsüblichen Standarddioden (z. B. 1N4007/1000 V oder TVS 600 W) beginnen kann. Alternativ können normative Prüfungen gewählt werden, für die dann experimentell ein Schutzbauteil ausgewählt wird.

Entsprechende Bauteile sind marktgängig