Auf einen Blick
Die Weiterentwicklung der Anwendungen und insbesondere der Verbraucher bringt neue Probleme für die zugehörigen Ansteuerschaltungen mit sich. Wie der vorliegende Beitrag deutlich macht, sind unter Umständen Bausteine mit 800 V Nennspannung für den Betrieb von Pumpen oder Lüftern notwendig, die von bürstenlosen Gleichstrommotoren geringer Leistung angetrieben werden. Ebenso zeigt sich, dass Bausteine mit Überspannungsschutz beim Ansteuern von hochinduktiven Lasten wie elektromagnetisch betätigten Ventilen das Bestehen der Stoßspannungsprüfungen auch ohne Schutzschaltungen ermöglichen. Eine höhere dV/dt-Festigkeit bürgt ebenfalls für eine höhere Immunität des Geräts insgesamt und steigert damit in der Regel auch die Qualität der finalen Applikation.
In Hausgeräten hängen viele kleine Wechselstromverbraucher direkt an der Netzspannung. Diese Verbraucher, zu denen beispielsweise Wasserventile, magnetische Türverriegelungen, Laugenpumpen und kleine Lüfter gehören, nehmen nur einen geringen Effektivstrom auf und sind von hoher Induktivität. Werden diese Verbraucher mit kontaktlosen Schaltern auf Halbleiterbasis geschaltet, können somit Überspannungen entstehen, sobald der Strom im Schalter (Triac oder ACS) unter den Haltestrom fällt.
Der Artikel erläutert zum einen die Möglichkeiten, auftretende Überspannungen zu bewältigen, und prüft zudem die Konformität der Lösung zum Stoßspannungstest gemäß IEC 61000-4-5. Darüber hinaus werden Tipps dazu gegeben, worauf im Datenblatt zu achten ist, um Aufschluss über die Immunität des finalen Geräts gegenüber schnellen transienten elektrischen Störgrößen zu erhalten.
Neue Anforderungen an Wechselstromschalter
In neuen Geräten werden Pumpen oder Lüfter häufig mit bürstenlosen Kleinspannungs-Gleichstrommotoren betrieben. Hier kommen Vorschaltkondensatoren zum Einsatz, um die Netzspannung auf die niedrige, meist 12 V betragende Betriebsspannung des Motors herabzusetzen. Die verwendeten Schalter müssen möglicherweise eine höhere Nennspannung aufweisen. Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer solchen Anordnung. Im rechts dargestellten Kurvenverlauf sollte auf den Moment des Abschaltens geachtet werden. Der Schalter muss hier die Netzspannung zuzüglich der Spannung des in Serie geschalteten Vorschaltkondensators (C in Bild 1) verkraften. Bei einer effektiven Netzspannung von 230 V kann diese Spannungsspitze bis zu 648 V betragen. Vorzugsweise sollte für einen solchen Verbraucher ein Wechselstromschalter mit 800 V Nennspannung eingesetzt werden. Die zur dritten Generation gehörende Serie ACS108 von STMicroelectronics ist jetzt mit einer Nennspannung von 800 V verfügbar.
Bild 1: Bürstenloser Gleichstrommotor, gesteuert von einem ACS.STMicroelectronics
Da man ACS-Elemente vorwiegend zum Schalten von Lasten mit hoher Induktivität und geringer Leistung (typisch 10 bis 20 W bei 230 V) einsetzt, kann sich am Schalter beim Abschalten eine hohe Spannung einstellen, sobald der Laststrom unter den Haltestrom sinkt. Wird ein Triac verwendet, muss dieser durch einen parallelgeschalteten Überspannungs-Schutzbaustein (zum Beispiel eine Snubberschaltung oder ein MOV) geschützt sein. Anders als bei einem Triac kann ein ACS diese Überspannung selbst auf einen kontrollierten Wert begrenzen.
Durch die Verwendung eines Bausteins mit niedrigerem Haltestrom (IH) lässt sich die beim Abschalten entstehende Überspannung verringern. Zum Beispiel weisen die ACS-Bausteine der dritten Generation einen Haltestrom von weniger als 10 mA auf, während dieser bei der vorigen Generation noch 25 mA betrug. Bild 2 illustriert das Abschaltverhalten eines ACS der neuesten Generation. Die Spannungsspitze am ACS wird von diesem auf die Klemmspannung VCL begrenzt, die bei Lasten mit hoher Induktivität und bei niedrigen Temperaturen (typisch unter 0 °C) erreicht wird. Der Mindestwert von VCL für einen 800-V-Baustein beträgt 850 V.
Bild 2: Begrenzung der beim Abschalten entstehenden Überspannung durch einen ACS.STMicroelectronics
Störfestigkeit der finalen Anwendung
Jedes auf dem europäischen Markt verkaufte Gerät muss die EMV-Prüfungen (elektromagnetische Verträglichkeit) nach den einschlägigen Normen bestehen, die in der EMV-Richtlinie der EU aufgelistet sind. Da ein Wechselstromschalter über den von ihm gesteuerten Verbraucher direkt mit dem Netz verbunden ist, kommt es bei solchen Bausteinen besonders auf das Bestehen der Tests auf Empfindlichkeit gegen schnelle transiente elektrische Störgrößen (Electrical Fast Transients – EFTs) und der Stoßspannungstests an, wie sie in den Normen IEC61000-4-4 beziehungsweise IEC61000-4-5 beschrieben sind.
Der Test gemäß IEC61000-4-4 sieht das Anlegen eines in die Netzspannung gekoppelten Spannungs-Bursts vor. Jeder Burst besteht aus mehreren Spannungsspitzen, die mit hoher Flankensteilheit (5 ns) und einer Frequenz von 5 oder 100 kHz wiederholt angelegt werden, wie es die Norm IEC61000-6-1 für elektrische Geräte verlangt. Da diese Prüfung mit dem gesamten System erfolgt, könnte hier auch der Mikrocontroller gestört werden. Um ausschließlich die Immunität des Wechselstromschalters zu bewerten, hält man die Bauelemente im Aus-Zustand. Dazu wird ihr Gate-Anschluss nicht mehr mit einem I/O-Pin des Mikrocontrollers, sondern direkt mit ihrem Bezugsanschluss verbunden. Die Prüfspannung ist die kleinste Spitzenspannung, bei der ein ungewolltes Einschalten des Bausteins auftritt. Dies gilt für sämtliche Prüfkonfigurationen (positive oder negative Spannung sowie Einkopplung in Phase, Nullleiter, Schutzerde oder beliebige Kombinationen).
Im Datenblatt eines Wechselstromschalters gibt die dV/dt-Festigkeit im Aus-Zustand die dynamische Beständigkeit gegen steile Spannungsspitzen wieder. Um den Einfluss dieses Parameters auf die Störfestigkeit eines Geräts zu verdeutlichen, vergleicht ein Experiment zwei verschiedene Wechselstromschalter mit unterschiedlichen dV/dt-Werten:
- ST ACS108 der dritten Generation mit einer Störfestigkeit von 2 kV/µs,
- ST ACS108 der zweiten Generation mit einer Störfestigkeit von 0,5 kV/µs.
Bild 3 gibt die experimentell ermittelten minimalen Burst-Spannungsfestigkeiten der beiden getesteten Produkte in derselben Prüfschaltung wieder. Der Baustein der neuen Generation erreicht eine Spannungsfestigkeit von 6,2 kV und damit mehr als das Doppelte der vorigen Generation, die es lediglich auf 2,9 kV bringt. Die Zunahme der dV/dt-Festigkeit auf das Vierfache hat eindeutige Auswirkungen auf die Immunität des finalen Geräts, die mit dem Bestehen von EFT-Tests bis zu 6 kV die Kriterien der Klasse A erfüllt.
Bild 3: Performance der Bausteine bezogen auf IEC61000-4-4.STMicroelectronics
Ein derart hohes Niveau kann in Anwendungen interessant sein, in denen der Wechselstromschalter für die sichere elektronische Abschaltung sorgt und in denen eine minimale Spannungsfestigkeit von 4 kV gefordert ist. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die EFT-Immunität der finalen Applikation in hohem Maße von der Schaltung und dem Leiterplatten-Layout abhängig ist. Bei unveränderter Applikation kann der Umstieg auf ein Bauelement mit höherer dV/dt-Festigkeit große Auswirkungen auf die EFT-Immunität haben, ohne dass die EMI-Filtermaßnahmen verstärkt oder das Leiterplatten-Layout geändert werden muss.
Als zweite Prüfung kommt der in der Norm IEC61000-4-5 beschriebene Stoßspannungstest hinzu. Dieser simuliert ein über die Netzleitung geführtes Blitzschlag-Ereignis. Bei einer Stoßspannung von 2 kV wird üblicherweise eine kurzzeitige Funktionsstörung der Applikation toleriert, nicht aber ein Totalausfall des Systems. Wie in den Bildern 1 und 2 zu sehen ist, liegt ein Wechselstromschalter in Reihe mit der Netzspannung und dem Verbraucher. Beim Anlegen der Stoßspannung wird der Halbleiterschalter durchbruchbedingt eingeschaltet, wenn er sich zuvor im Aus-Zustand befand. War der Schalter bereits eingeschaltet, schlägt die Überspannung bis an den Verbraucher durch. Das Resultat ist ein durch die Lastimpedanz begrenzter Stromanstieg, der etwa 10 bis 20 µs dauert. Die Zunahme des Stroms fällt meist sehr gering aus, da es sich häufig um eine induktive Last handelt. Es kommt deshalb zu keinem Ausfall des Wechselstromschalters. Handelt es sich dagegen um eine ohmsche Last mit einer sehr geringen parasitären Serieninduktivität (unter 10 µH) und geringer Impedanz, kann der Wechselstromschalter durch den Überstrom beschädigt werden, den die in der Stoßspannung enthaltene Energie verursacht.
Bei einem ACS-Baustein ist infolge des integrierten Überspannungsschutzes das Einschalten per Durchbruch garantiert. Dem Datenblatt des Wechselstromschalters ist zu entnehmen, dass der Baustein mit einer Worst-Case-Prüfschaltung (ohmsche Last mit sehr geringer Serieninduktivität) eine positive oder negative Spannung von 2 kV übersteht. Unsere Bausteine wurden innerhalb des vom Datenblatt vorgegebenen Rahmens den entsprechenden Stoßspannungsprüfungen unterzogen, um Vergleiche ziehen zu können. Beide ACS108-Bausteine (zweite und dritte Generation) überstehen die Stoßspannungsprüfungen mit mehr als 2 kV ohne Ausfall.
Benoit Renard
(ah)
