Wie Sie Ihr System vor Spannung, Strom und Temperatur schützen

| Autor / Redakteur: Anthony T. Huynh * / Kristin Rinortner

Systemschutz: Schon ein einfacher Kurzschluss kann zum Abbrand auf einer Platine führen und dadurch das gesamte System außer Funktion setzen. Hier helfen hochintegrierte Schutzbausteine.
Systemschutz: Schon ein einfacher Kurzschluss kann zum Abbrand auf einer Platine führen und dadurch das gesamte System außer Funktion setzen. Hier helfen hochintegrierte Schutzbausteine. (Bild: GKV)

Firmen zum Thema

Ob Blitzschlag, Hot-Swapping oder Lüfterausfall: Industrielle Systeme sind Spannungs- und Stromfehlern sowie thermischen und anderen Fehlern ausgesetzt. Der richtige Schutz ist entscheidend.

Wie schützt man sich vor Fehlern, die eine Anlage beschädigen, die eine Fabrik lahmlegen und vielleicht Karrieren gefährden könnten? In der Vergangenheit waren Schutzschaltungen sperrig, teuer und schwer zu implementieren. Die Fortschritte bei modernen Schutzschaltungen liefern heute den Systemingenieuren robuste, hoch integrierte und einfach zu implementierende Schutzbausteine. In den nächsten Abschnitten werden allgemeine Systemfehler in drei Hauptkategorien diskutiert: Spannung, Strom und Temperatur.

Ein kurzer Überblick zu den Spannungsfehlern

Systemspannungsspitzen und -schwingungen: Blitzeinschläge, eine durchgebrannte Sicherung, ein Kurzschluss, ein Hot-Swap-Ereignis, Überschwingen usw. können dazu führen, dass die Eingangsspannung über und/oder unter den normalen Gleichspannungsbereich liegt. Die Bilder 1 bis 3 zeigen einen Kurzschluss, bei dem ein kurzzeitiger Kurzschluss am Ende eines 3 m langen Kabels zu einer Spannungsspitze von 50,4 V führen kann, was eine Verdoppelung der normalen Spannung von 24 V DC bedeutet.

Darüber hinaus sinkt die Spannung auch auf ca. 11 V (vom Anfangskurzschluss bis 0 V). Ein robustes System muss entweder während dieses Schwingens ohne Unterbrechung weiterarbeiten oder es zumindest unbeschadet überstehen.

Ähnliches Spannungsschwingen tritt auch beim Hot-Swapping auf, beispielsweise wenn eine Karte mit einem entladenen Kondensator in eine stromführende Backplane gesteckt wird, oder wenn eine Sicherung an anderer Stelle im System durchbrennt. Die Situation verschlechtert sich, wenn die Gleichspannung des Systems einen großen Bereich hat. So schreibt beispielsweise die IEC61131-2 eine SPS mit einer Schienen-Nennspannung von 24 V DC mit einer Toleranz von 15 bis 20% und +5% peak AC-Anteil vor. So kann die 24-V-Schiene mit minimal 19,2 V und maximal 30 V beaufschlagt werden. Wenn wir im obigen Experiment mit einer Spannungsquelle von 30 V beginnen, würde die Spitzenspannung leicht 60 V erreichen.

Ein Blitzeinschlag kann eine hochenergetische Überspannung verursachen. Dies kann typischerweise durch einen Transient Voltage Suppressor (TVS-Diode) und einen Eingangsfilter abgeblockt werden. In einem 24-V-Bussystem verwendet ein Industriesystem typischerweise eine TVS-Diode wie die SMAJ33A zum Klemmen. Unter Überspannungsbedingungen kann diese TVS-Diode die Überspannung auf maximal 53,3 V klemmen. Daher muss jede elektronische Komponente, die an diesen 24-V-Bus angeschlossen ist, mindestens 53,3 V aushalten.

Verpolung: Auch wenn es selten ist, kann es zu einer Fehlverdrahtung des Systems kommen. Ein Beispiel ist eine Autobatterie, die falsch angeschlossen wird. Ein weiteres Beispiel ist ein Rack-Montagesystem, bei dem eine Person eine Karte falsch einsteckt. Wenn die Eingangsspannung plötzlich absinkt (Eingang kurzgeschlossen oder zu niedrig), befindet sich der Ausgangskondensator nun auf einem höheren Potential, was zu einem umgekehrten Spannungszustand führt. Ein ähnlicher Zustand tritt auf, wenn der Ausgang plötzlich auf eine höhere Spannungsschiene kurzgeschlossen wird (z.B. in einem gebündelten Kabel). Verpolungsfehler treten selten auf, können aber zu kostspieligen Schäden am System führen und müssen daher vermieden werden.

Kurzer Überblick zu den Strom-Fehlern

Überstrom-/Kurzschlussfehler: Die offensichtlichen Stromfehler sind Überlastung und Kurzschluss des Ausgangs. Überstrombelastung wird verursacht, wenn die Kapazität des Systems überschritten wird. Ein defektes Bauteil auf einer Platine kann einen Kurzschluss auslösen. Wenn sie nicht geschützt ist, kann eine Platine bleibende Schäden erleiden oder, schlimmer noch, Feuer fangen.

Einschaltstrom: Wenn eine Leiterplatte mit einem entladenen Kondensator in eine stromführende Backplane gesteckt wird, kommt es zu einem Stromanstieg, da der Kondensator aufgeladen wird. Ist dieser Einschaltstrom nicht geregelt, folgt er der Gleichung: I = C dv/dt, wobei I der Einschaltstrom, C die Kapazität und dv/dt die Änderungsrate der Kondensatorspannung über die Zeit ist. Wenn ein entladener Kondensator (bei 0 V) in eine unter Spannung stehende Backplane bei 24 V gesteckt wird, ist dV/dt in diesem Fall unendlich (die Spannung steigt sofort an), was zu I = unendlich führt. Ohne Einschaltstromregelung kann diese unendlich hohe Stromspitze Steckverbinder beschädigen, Sicherungen durchbrennen lassen oder Überschwingen auf der Backplanespannung verursachen.

Rückwärtsstrom: Beim einer „Verpolung“ wie im obigen Abschnitt beschrieben, kann der Stromfluss in umgekehrter Richtung zu schweren Schäden am System führen.

Was bei den thermischen Fehlern relevant ist

Übertemperaturschutz: Wenn die Temperatur eines Systems oder einer Komponente ein gefährliches Niveau erreicht, schaltet der Übertemperaturschutz das System ab, um Schäden und mögliche Brandgefahren zu vermeiden. Richtig ausgelegte Systeme sollten arbeiten, ohne jemals die Übertemperaturabschaltung auszulösen. Die Übertemperaturabschaltung erfolgt jedoch infolge einer primären Fehlerbedingung, wie z.B. einer verlängerten Überlastbedingung, eines ausgefallenen oder ausfallenden Systemlüfters, einer versehentlichen Blockierung des Systemluft-Ein- oder -Auslasses oder eines Ausfalls der Raumklimaanlage etc.

Thermoschutz: Worin besteht der Unterschied zwischen Übertemperaturabschaltung und Thermoschutz? Der Thermoschutz ist intelligenter. Anstatt darauf zu warten, dass die Temperatur den kritischen Schwellenwert erreicht und daraufhin abzuschalten, gibt der Thermoschutz dem System eine Warnung und Wahlmöglichkeiten, sobald die Temperatur aufgrund eines Fehlers über dem normalen Betriebswert steigt.

Das System kann wählen, ob es auf nicht-kritische Lasten verzichten möchte oder mit einer niedrigeren Schaltgeschwindigkeit läuft usw., um weniger Wärme zu erzeugen. Auf diese Weise kann das System möglicherweise eine Übertemperaturabschaltung mit verminderter Systemleistung vermeiden, bis der primäre Fehler behoben ist.

Was bieten moderne System-Schutzlösungen?

Ingenieure, die ihre Produkte umfassend schützen wollen, stehen vor einigen kon­struktiven Herausforderungen: Eine diskrete oder teilintegrierte IC-Implementierung erfordert viele externe Komponenten; die Toleranzen der Komponenten sind mühsam zu analysieren und schwer zu überprüfen und zu garantieren; die resultierende Lösung ist aufgrund der hohen Anzahl von Komponenten groß.

Im Idealfall sollte eine System-Schutzlösung hochgradig integriert sein, einfach zu entwerfen und die Designqualifikation problemlos bestehen. Hier sind einige der wichtigsten Merkmale eines modernen Schutz-ICs:

  • Integrierte P-FET- und N-FET-Transistoren für Vorwärts-/Rückwärts-Spannungs-/Stromschutz
  • Integrierte präzise Strommessung
  • Stromgrenzwerte, Fehlerreaktionsmodi, Unter- / Überspannung programmierbar
  • Thermoschutz mit Warnhinweisen

Ein Beispiel für eine moderne System-Schutz-Lösung

Um sich gegen alle diskutierten Stromkreisfehler zu schützen, bietet sich der MAX17608/9 an. Diese Schaltkreise sind die laut Hersteller am höchsten integrierten, platzsparend ausgeführte und robuste ICs der Branche für den Hochspannungsschutz bei einem Laststrom von 1 A.

Sie erfüllen sowohl die immer strengeren Standards zur Maschinensicherheit als auch die Nachfrage nach kleineren Lösungen, da modulare Rack-SPSen immer kleiner werden und mit zunehmender I/O-Fähigkeit dichter gepackt sind.

Bild 4 zeigt den Schaltplan der Anwendungsschaltung des MAX17608/9. Der IC arbeitet in einem Bereich von 4,5 bis 60 V und widersteht einer negativen Eingangsspannung bis –65 V. Er beinhaltet integrierte P-FET- und N-FET-Transistoren für Vorwärts-/Rückwärts-Spannungs-/Stromschutz, programmierbare UV/OV, Stromgrenzwerte und Fehlerreaktionsmodi sowie Thermoschutz mit Warnhinweisen. Alle Funktionen/Komponenten sind in einem 3 mm x 3 mm, 12-poligen TDFN-EP-Gehäuse untergebracht.

Darüber hinaus verfügt der IC über eine sehr präzise Strommessung von ±3%. Eine diskrete Lösung bietet in der Regel ±20%, so dass dies eine deutliche Leistungssteigerung bedeutet. Auch die Stromaufnahme eines Systems muss überwacht werden, und die Spannung am SETI-Pin bietet erfreulicherweise genau das.

Zusammenfassung: Alle Systeme in Industrieapplikationen sind Spannungs- und Stromfehlern sowie thermischen und anderen Fehlern ausgesetzt. Der richtige Schutz der Subsysteme ist entscheidend für die Systemverfügbarkeit. Entwickler, die diese Faktoren nicht berücksichtigen, haben Mühe, ihre Systementwürfe während der Testphase der Designverifizierung erfolgreich abzuschließen. Oder schlimmer noch, sie haben es in der Fabrik mit Ausfällen zu tun. Fehler passieren, aber man hat heute einige Möglichkeiten, etwas dagegen zu unternehmen.

* Anthony T. Huynh ist Chefingenieur für Applikation und industrielle Stromversorgung bei Maxim Integrated in San José / U.S.A.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45760127 / Analog)