Thema: Einschaltstrom

Absicherung des Stromeingangs

warnung

Die Sicherung (500mA, flink) im Messpfad des Stromeingangs ist als Schutzinstanz vor der Zerstörung des Messeingangs durch fehlerhafte Beschaltung vorgesehen. Sie darf ausschließlich durch den optiMEAS Service getauscht werden (kostenpflichtig)! Zur Vermeidung von unnötigen Stillstandszeiten und Kosten ist die Verdrahtung vor der Inbetriebnahme sorgfältig zu prüfen!

Warum besitzt das smartIO 8x24 eine Absicherung von 500mA?

Messklemmen in industrielle Anwendungen für 4-20mA Sensoren haben typischerweise einen integrierten Shunt von $100 \Omega$, an dem der Spannungsabfall als Messsignal erfasst wird.

Bei einem fehlerhaften Anschluss von $24 V$ am Messeingang ohne Sensor würde eine Verlustleistung von ca. $5.8 W$ am Shunt entstehen. Dass ist unter Umständen für einen gewissen Zeitraum tolerierbar.

Dieser Widerstand begrenzt im Übrigen den Einschaltstrom des angeschlossenen Sensors oder Messwandlers auf ca. 240 mA, wenn interne Pufferkapazitäten aufgeladen werden müssen.

Das smartIO 8x24 misst jedoch Ströme bis 200 mA (zuzüglich eines Toleranzbereichs von 50%) dauerhaft. Damit muss der Shuntwiderstand deutlich kleiner werden, um sowohl die Verlustleistung als auch den Spannungsabfall zu minimieren. Diese Optimierung hat Auswirkungen auf die Absicherung des Fehlerfalls.

Wenn $24 V$ Versorgungsspannung versehentlich direkt an den Eingang (I_IN, COM) angelegt werden, fließt ohne entsprechende Absicherung über den Messshunt $R_{shunt}$ ein Strom

$$I_{shunt}=\frac{U}{R}=\frac{24 V}{10 \Omega}=2.4 A.$$

Dies bedeutet eine Verlustleistung von

$$P_{shunt}=U\cdot I=\frac{U^2}{R}=I^2\cdot R=57,6 W.$$

Diese würde schon nach sehr kurzer Zeit zu erheblichen, irreparablen Schäden an SMD Bauteilen und der Platine führen. Um zumindest die Reparaturfähigkeit zu erhalten, ist deshalb in dem beengten Einbauraum eine Chip-Fuse vorgesehen, die innerhalb einer Millisekunde einen zu hohen Stromfluss unterbricht.

Außerdem muss diese Sicherung im erweiterten Temperaturbereich des smartIO 8x24 sicher funktionieren und quasi potentialfrei am hochohmig angekoppelten Messeingang in sehr beengtem Bauraum untergebracht werden. Auch im Hinblick auf den Preis des Moduls scheiden damit viele alternative Lösungen aus.

Wie erkennt man einen Schadensfall?

In den Messdaten wird schnell ersichtlich, wenn auf einem Messkanal, der für Strommessung konfiguriert ist, egal in welchem Messbereich nur Null-Werte geliefert werden. Möglicherweise ist noch ein minimales Rauschen zu beobachten. Ist ein 4 - 20mA Sensor oder Messwandler angeschlossen, ist dieser Wert sicher jenseits des gültigen Messbereichs und kann als Fehler detektiert werden.

tipp

Um eine Havarie zu erkennen, kann mit einem Multimeter der Widerstand zwischen den Anschlüssen I_IN und COM eines Kanals gemessen werden. Ist dieser im Bereich $10 \dots 15 \Omega$, ist der Eingang funktionsfähig und der Fehler ist eher in der Verdrahtung oder Sensorversorgung zu suchen. Ist er deutlich größer oder unendlich, muss das smartIO 8x24 durch den optiMEAS Service repariert werden (kostenpflichtig).

Einschaltstrom eines Sensors oder Messwandlers

Manche Sensoren oder Messwandler, die in Zwei-Draht-Technik angeschlossen werden und das Messsignal und die Versorgungsspannung über das gleiche Aderpaar führen, haben intern so große Pufferkapazitäten, dass im Einschaltvorgang ein Stromspitze deutlich über 500mA auftreten kann! Diese ist nur sehr kurz und mit einem normalen Multimeter nicht zu erfassen, reicht aber aus, um die Sicherung am Eingang auszulösen.

In diesem Oszillogramm ist der Einschaltvorgang eines Messwandlers mit $24 V$ Versorgung (gelb) und einer Stromspitze bis $2 A$ (cyan) an einem $10 \Omega$ Shunt zu sehen. Der Energieeintrag (violett + Area-Berechnung) in die Sicherung ist mit $423\,\mu\mathrm{A}^2\mathrm{s}$ schon dicht an der Auslösegrenze.

tipp

In der Regel kann die Stromspitze durch einen weiteren, strombegrenzenden Serienwiderstand in der Messleitung von ca. 50 .. 100 Ohm ohne Einschränkung der Funktionalität deutlich reduziert werden.

Ein Serienwiderstand von $50 \Omega$ reduziert die Spitze bereits auf 500mA und den Energieeintrag auf tolerierbare $66\,\mu\mathrm{A}^2\mathrm{s}$.