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Leistungsrelais

"Doping" mit Zero Cross Switching

15. Mai 2014, 9:29 Uhr | Von Benjamin Miedl

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Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Technische Umsetzung der Nulldurchgangsschaltung

Viele bekannte Hersteller von Gebäude- und Hausautomation setzen in ihren Schaltlösungen von Steckdosenleisten bis Unterputzeinsätzen intelligente Systeme mit Mikrocontroller ein.
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
• evtl. notwendig: Verstärkerschaltung am Ausgang zur Ansteuerung der Relaisspule(n)
(abhängig vom möglichen Ausgangsstrom des µ-Controller 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 Mikrocontroller erfasst wird. Ein implementierter Flankentrigger wertet dieses Signal im Mikrocontroller aus und schafft die Grundlage für ein zeitlich genau gesteuertes Schalten der Relaisspule(n).

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. Der entsprechende Mittelwert ist im EPROM Speicher des Mikrocontroller 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 Kontaktabbrand und damit einhergehender Abnahme des Kontakt-Überhubes 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 mit Hilfe 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 minimalst möglichen Wert regelt und dadurch die Lebensdauer der Schaltkontakte um das bis zu Zehnfache erhöht.