Herausforderungen beim Schalten von Gleichströmen
Schutzgeräte mit hybriden Schaltern
Das Auftrennen eines Gleichstromkreises ist wegen der Gefahr eines Lichtbogens nicht immer unproblematisch. Besonders im Fall höherer Gleichspannungen sind aufwändige Maßnahmen zur Löschung des Schaltlichtbogens notwendig. Dieser Fachbeitrag zeigt, wie durch Kombination aus moderner Leistungselektronik und mechanischen Kontaktsystemen eine Technologie entsteht, die gerade für das Schalten bei höheren Gleichspannungen besonders geeignet ist.
- Strom fließt nur in eine Richtung;
- Strom hat keinen Nulldurchgang und ist daher schwieriger abzuschalten;
- Spannung kann nur technisch aufwändig auf hohe Werte gewandelt werden;
- Wandlungsverluste betragen 1...3 %;
- Bei Übertragung entstehen nur ohmsche Verluste;
- Berührungsspannungsgrenze ist DC 120 V (in Diskussion).
Anforderungen an Gleich- spannungs-Schaltgeräte
Gleichspannungs-Schaltgeräte sollten neben geringem Gewicht, und kleinem Volumen auch niedrige Verluste im Ein-Zustand besitzen. Sie sollten eine lange Lebensdauer aufweisen und galvanische Trennung im Aus-Zustand bieten.
Zum Schalten von Gleichspannungen kann man grundsätzlich mechanische Kontakte oder Halbleiter verwenden. Beide Technologien haben Vor- und Nachteile (Tabelle 1).
Hybride Schaltgeräte nutzen die Vorteile beider Technologien und vermeiden die Nachteile zum großen Teil. Im Folgenden werden alle drei Schalt-Technologien – mechanisch, elektronisch und hybrid – näher beschrieben.
Mechanisches Schalten
Besonders im Fall höherer Gleichspannungen sind bei mechanischen Schaltern aufwändige Maßnahmen zur Löschung des Schaltlichtbogens notwendig.
Beim Öffnen eines mechanischen Kontaktsystems entsteht, abhängig von Spannung und Strom, ein Lichtbogen oder auch Schaltlichtbogen. Fließen elektrische Ströme in einem Schaltlichtbogen von einer Kathode zu einer Anode, so stellen sich abhängig von Spannung und Strom verschiedene Zustände ein.
Der Schaltlichtbogen besteht aus Raumladungszonen, dem Kathodenfallraum und dem Anodenfallraum, sowie der Lichtbogensäule (Bild 4). Im Fall der Lichtbogensäule handelt es sich um ein quasineutrales „Plasma“ endlicher Leitfähigkeit. Das Plasma kann als weiterer Aggregatzustand betrachtet werden. Der Schaltlichtbogen ist ein sogenanntes thermisches Plasma, das Temperaturen von 1 000 bis 30 000 K aufweist.
Elektronen sind wegen ihrer kleineren Masse und damit viel höheren Beweglichkeit viel schneller (> 100-fach) als Ionen. Aus diesem Grund wird der Strom im Lichtbogen nahezu vollständig (ca. 99 %) von Elektronen getragen. Über dem Schaltlichtbogen tritt ein Spannungsfall UB auf. Dieser setzt sich aus drei Anteilen zusammen: dem Spannungsfall UR über den beiden Raumladungsgebieten an den Elektroden UAF und UKF sowie dem Spannungsfall über der Lichtbogensäule US (vgl. [6] und [7]). UB = (UAF + UKF) + US = UR + US
Bei kurzen Lichtbögen ist der bestimmende Anteil die Summe der Spannungsfälle über den Raumladungszonen UR. Bei langen Lichtbögen überwiegt die Spannung der Lichtbogensäule US.
Um stabil zu brennen, benötigt ein Lichtbogen eine Mindestspannung von ungefähr DC 14 V. Der Mindeststrom hängt vom Elektroden-Werkstoff ab und beträgt bei Kupfer und Silber etwa 0,4 A. Werden diese Werte unterschritten, verlischt der Lichtbogen selbstständig. In Automobilbordnetzen mit Systemspannungen von DC 12 V können Lichtbögen daher nicht stabil brennen. Im Fall höherer Spannungen kann dies jedoch der Fall sein (vgl. [6] und [7]).
