pikkerton SART-Technologie

Um für hohe Schaltlasten (230 V, 16 A) selbst miniaturisierte Relais sicher, zuverlässig und lange betreiben zu können, wurde die SART- (Smart Adaptive Relay Triggering) Technologie entwickelt.

Diese zielt im Wesentlichen darauf ab, daß die Relaiskontakte im Stromnulldurchgang an- und abgeschaltet werden. Dies ist bei ohmschen Lasten recht einfach, da der Spannungsnulldurchgang generell zur Ansteuerung zur Verfügung steht. Bei phasenverschobenen Lasten kann dies äußerst kontraproduktiv wirken, da lange und energiereiche Lichtbögen entstehen können, die die Relaiskontakte stark beschädigen - oder das ganze Relais und somit das gesamte Produkt unbrauchbar machen.

Die pikkerton SART-Technologie besteht aus folgenden Kernfunktionalitäten:

  • Permanente µController-basierte hochfrequente Erfassung von Strom, Spannung und Phasenlage
  • Einschalten der Relais im lastfreien Spannungsnulldurchgang
  • Permanente Korrektur des Schaltzeitpunktes bzgl. der Anzugs- und Abfallzeiten der Relais über die Lebensdauer (Flugzeit erhöht sich mit dem Kontaktabbrand) in 10µs Schritten (10 Tausendstel Sekunden)
  • Ausschalten der Relais im lastfreien Stromnulldurchgang
  • Erkennung & Fallunterscheidungen zwischen zwar phasenverschobenen, aber permanent sinusförmigen Strömen und stoßförmigen Belastungen, wie z.B. in Schaltnetzteilen und Phasenanschnittssteuerungen (z.B. in Dimmern)
  • Detektierung und Nutzung von „Niedrigstromfenstern“ für Relaisbetätigungen für unregelmäßige Stromverläufe

Die SART-Technologie wird aktuell in folgenden Produkten eingesetzt:


Aufbau - Kontakte - Mechanik

Relais bestehen aus mechanischen Bauteilen, hauptsächlich sind dies die Spule(n) sowie die Kontaktpaare.  Durch die Kontaktpaare fließt der Laststrom. Während des geschlossenen Kontakts wird der Kontakt kaum belastet – im Gegensatz zu den Schaltvorgängen. Daher werden in Datenblättern zum einen die rein mechanischen und zum anderen ohmsche Schaltzyklen (unter Last) in Hinblick auf die Lebenserwartung angegeben. Relaiskontakte sind optimalerweise dann zu schalten, wenn der Strom gleich oder nahe Null ist, andernfalls altern die Kontakte stark oder bleiben sogar kleben – das Gerät fällt aus.

Jedes Relais hat eine sogenannte Prellzeit, in der die Kontakte während bzw. kurz nach dem Schließvorgang auf- und zuschalten, ähnlich wie es auch bei Tastern der Fall ist. Dies belastet die Relaiskontakte zusätzlich sehr stark.



Welche Relais gibt es ?

Generell unterscheidet man zwischen bistabilen und monostabilen Relais.
Bistabile Relais arbeiten im Prinzip wie ein Kugelschreiber – ein kurzer Impuls schaltet das Relais an, ein weiterer ab. Die Vorteile sind, daß kein Haltestrom benötigt wird, während das Relais angeschaltet ist, was wiederum Energieverbrauch darstellt. Weiterhin haben diese Relais in vielen Fällen eine kürzere Prellzeit. Die elektronische Ansteuerung ist etwas schwieriger – die Herstell- und Integrationskosten sind etwas höher.
Monostabile Relais sind kostengünstiger zu fertigen, verbrauchen jedoch permanente Leistung an den Spulen. Wird die Spule abgeschaltet, so fällt auch das Relais ab. Die Prellzeiten sind meist höher und undefinierter.



Welche Lasten gibt es ?

Man unterscheidet  generell 3 verschiedene Arten von Lasten: Ohmsche , induktive, und kapazitive Lasten.

Ohmsche Lasten sind für Standardschaltungen die Relais-freundlichsten Lasten. Hier liegen Strom-/ Spannungsmaxima sowie deren Nulldurchgänge in Phase, d.h. sie treten gleichzeitig auf.
Klassische Vertreter von ohmschen Lasten sind Heißwassergeräte, Ölradiatoren und Glühlampen.
Bei induktiven Lasten liegen Strom und Spannung nicht in Phase, der Strom ist nacheilend:


SART - Strom und Spannung - Phasenverschiebung

Solche Lasten sind überall da anzutreffen, wo im Gerät Spulen oder Drosseln zu finden sind, üblicherweise Motoren, Kühlschränke,  (Wasser)-Pumpen, Lüfter, Vorschaltgeräte,  (NV)-Trafos.

Kapazitive Lasten verhalten sich im wesentlich gegenteilig zu induktiven Lasten. Die Spannung baut sich erst nach dem Stromfluß auf; der Strom ist voreilend.
Vertreter von kapazitiven Lasten findet man bei PCs, Servern, Fernsehern sowie sonstigen Lasten mit größeren Schaltnetzteilen.

Von diesen 3 verschiedenen Lastarten gibt es auch verschiedene Kombinationen.



Welche Probleme gibt es ?

Wird ein Relais „irgendwann“ eingeschaltet, so gibt es harte Konsequenzen für die Kontaktepaare:
Die 230 VAC Netzspannung hat einen Scheitelwert von ca. 325 V. Im ungünstigsten Fall wird das Relais in genau diesem Moment angeschaltet. Ein kapazitiver Verbraucher (z.B. PC-Netzteil) stellt sich im ersten Augenblick des Einschaltens als „Fast-Kurzschluß“ dar, das heißt der Strom steigt kurzzeitig auf ein Vielfaches des Nennstroms an, was die Kontakte im Einschalt- (und somit auch im Prell-)-Vorgang erheblich belastet. Das Einschalten von Glühlampen führt aus Kaltleitereffekten zu ähnlich hohen Stromflüssen. Oft bleiben die Kontakte einfach „kleben“ – das Bauteil ist defekt.
Schaltet man induktive Lasten zu beliebigen Zeitpunkten aus, so entstehen sehr hohe Kontaktspannungen, die zu Lichtbögen führen und die Kontaktpaare ebenfalls erheblich belasten.
In beiden Fällen entstehen neben den Kontaktschädigungen noch Störimpulse im Zuleitungsnetz.



Nullpunktschaltung ist nicht Nullpunktschaltung !

Abhilfe hierfür ist eine sogenannte „Zero-Crossing“-Strategie. Hier wird der Schaltvorgang mit dem Spannungsnulldurchgang synchronisiert, meist prozessorgesteuert.
Voraussetzungen für das einwandfreie Funktionieren sind kurze und definierte Prellzeiten der Relais in Verbindung mit rein ohmschen Lasten.

Durch die im Vorfeld betrachteten und beschriebenen Effekte ist es für den langfristigen und sicheren Betrieb von Relais wichtig:

  • Einerseits das Einschalten des Relais im Spannungsnulldurchgang („ZX-U“)
    in Verbindung mit geringen und definierten Prellzeiten, um von dieser Steuerung überhaupt Vorteile zu haben
  • Andererseits das Abschalten des Relais im Stromnulldurchgang („ZX-I“)

Das Abschalten im Stromnulldurchgang erfordert die kontinuierliche Erfassung und ggfs. eine Rekonstruktion der Stromlage in Bezug auf die anliegende Spannung.



SART-Nebeneffekt: Erkennen von Netzstörungen und -schwankungen

Das kontinuierliche Überwachen von Strom, Spannung und Phasenlage bietet noch weitere, interessante Möglichkeiten.
So werden beispielsweise hochfrequente Peaks genauso erkannt wie kurzzeitige Spannungseinbrüche im Millisekunden-Bereich. Solche Netzstörungen werden gespeichert und gemeldet. Dadurch wird eine zuverlässige Aussage über die Netzqualität möglich.
Weiterhin können Ausfälle oder Systemstörungen von beliebigen Geräten mit Netzstörungen der Stromversorgung qualifiziert, quantifiziert und zeitlich miteinander in Verbindung gebracht werden. Werden solche Fehler von mehreren Systemen detektiert, so ist sogar eine grobe Fehlerlokalisierung möglich.



Relaiskontakte ohne SART

Zum Vergrößern bitte Bild anklicken. Relaiskontakte ohne SART-Technologie an PC-Netzteil-Nachbildung, nach <500 Schaltspielen defekt / verbrannt (zufälliger Schaltzeitpunkt) mit deutlich erkennbarem Lichtbogen auf dazugehörigem Oszillogramm des Stromverlaufs.


Lichtbogen ohne SART


Relaiskontakte mit SART

Zum Vergrößern bitte Bild anklicken. Relaiskontakte mit SART-Technologie an PC-Netzteil-Nachbildung, nach weit über 12000 Schaltspielen (µC-gesteuerter Schaltzeitpunkt) mit dazugehörigem Oszillogramm.


Kein Lichtbogen mit SART


Links

made in germany


Panasonic Electric Works Logo

Die pikkerton SART-Technologie basiert auf Relais von Panasonic Electric Works, die kleinste Bauform mit niedrigster und definierter Prellzeit kombinieren.





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