Ausfälle in der Netzversorgung
Trafo per Relais schützen
Hie und da fällt selbst in Deutschland die Netzversorgung aus, meist im Bereich einiger Millisekunden. Daher werden Medizingeräte nach der EN 61000-4-11 auf den Ausfall einer Halbwelle geprüft. Ist die Netzspannung danach wieder da, kann es aufgrund von Kernsättigung zu so hohen Strömen kommen, dass die Trafo-Sicherung auslöst, selbst wenn ein Einschaltstrombegrenzer vor den Trafo geschaltet ist. Abhilfe schafft ein Trafoschaltrelais.
Medizingeräte, bei denen Transformatoren eingebaut sind, müssen den Test nach der EN 61000-4-11 bestehen, ohne dass die Sicherung vor dem Trafo auslöst. Diese Norm ist als Prüfung in der Medizingeräte-Prüfnorm IEC 60601-1-2 enthalten. Dazu wird unter anderem ein Halbwelleneinbruch um 90%, also auf 10% der Nennspannung, für die Dauer einer halben Vollwelle simuliert, also für 10 ms bei 50 Hz.
Der Startpunkt des Ausfalls ist immer beim Beginn einer Halbwelle. Dabei kommen also zwei gleichpolige Netzhalbwellen hintereinander auf den Trafo. Das führt zu Kernsättigung und damit zu sehr hohen Strömen, sodass unweigerlich die Sicherung auslöst, wenn der Trafo nicht extra »weich« und extra für solche Netzanomalien ausgelegt ist. Die folgenden Bilder sollen die Wirkung von Netzhalbwellenausfällen ohne und mit einem Trafoschaltrelais (TSRL) verdeutlichen. Ein solches Relais soll Einschaltstromstöße an Trafos letztlich verhindern.
Bild 1 zeigt mit der oberen Kurve die Netzspannung und mit der unteren Kurve den Stromstoß, der in die Primärwicklung fließt.
Der Spannungsausfall dauerte nur 10 ms. Danach bekommt der Trafo erneut die gleiche Netzspannungspolarität, hier negativ, die er vor der Lücke bekommen hat. Das führt dann zu einem hohen Stromstoß, weil das Eisen des Trafos dabei in Sättigung gerät.
Beim länger dauernden Halbwellenausfall mit einer ungeraden Anzahl von fehlenden Halbwellen (Bild 2) mit gleichpoliger Aus- wie Einschaltung entstehen ebenfalls hohe Stromstöße, die aufgrund der geringeren Kupferverluste des optimierten Trafos größer sind als beim weichen EI-Trafo mit geschweißtem Kern (siehe Bild 1).
Manchmal lösen Sicherungen auch mitten im Gerätebetrieb ohne erkennbaren Grund aus. Auslöser könnten dann Unsymmetrien in den Netzhalbwellen sein.
Relais erkennt Spannungseinbruch
Ganz vermeiden kann man das Auslösen der Sicherung bei Halbwellenausfällen mit dem TSRL, das die Option »Halbwellenausfallerkennung« hat. Es erkennt den Spannungseinbruch sofort, schaltet aus, berechnet den richtigen Einschaltpunkt und schaltet nach Wiederkehr der Netzspannung entweder mit seiner Softstart-Prozedur zu oder zu dem frühestmöglichen Zeitpunkt voll ein (Bild 3).
Die Sicherung löst nicht aus, weil kein Einschaltstromstoß entsteht. Die Dauer der Spannungslücke am Trafo dauert jeweils ungefähr 20 ms länger als die Netzlücke, weil das TSRL die richtige Einschaltposition abwarten muss.
Computernetzteile, die hinter Trenntrafos betrieben werden, können durch ihre Filterkondensatoren für diese kurze Netzspannungsunterbrechung von 50 ms die Geräte-Spannungsversorgung aufrechterhalten (Bild 4), was zahlreiche Tests von Anwendern des TSRL belegen.
Das TSRL mit der Option »schnelle Halbwellenausfallerkennung«, kann Netzspannungslücken von kleiner 200 ms erkennen und mit der anschließenden Schnelleinschaltung nach der Netzspannungswiederkehr reagieren. Nach länger als 200 ms andauernden Netzspannungslücken, beginnt das TSRL nach der Netzspannungswiederkehr mit einem regulären Softstart, der je nach Trafotyp (siehe die Poti-Einstellung) zwischen 150 ms bis etwa 880 ms dauert, bevor der Trafo voll eingeschaltet ist. Wie oben bereits angesprochen könnte man auch einen Trafo für derartige Netzanomalien auslegen.
Allerdings wäre in diesem extremen Auslegungsfall etwa das dreifache Gewicht gegenüber einem Ringkerntrafo nötig; wegen des dann nötigen Luftspalts im Kern kommt nur ein EI- oder UI-Trafo infrage. Daher setzen immer mehr Gerätehersteller von Medizingeräten das TSRL zusammen mit leichtgewichtigen Ringkerntrafos ein. Mit dem TSRL kann die Prüfung nach EN 61000-4-11 ohne Fehler bestanden werden.
Über den Autor:
Michael Konstanzer ist Kundenberater für die Firma FSM-Elektronik.
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