Ausflug in die Technik: Steuerung elektrischer Systeme

In der Leistungselektronik ist man sich derzeit einig darüber, dass sich für niedrige Frequenzen und hohe Spannungen sowie niedrige Spannungen und hohe Frequenzen unterschiedliche Transistoren eignen. Für ersteren Fall der so genannte IGBT (diese Abkürzung leitet sich aus dem englischen Begriff insulated-gate bipolar transistor ab und bedeutet auf Deutsch Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) und für den letzteren Fall der so genannte MOSFET (steht für metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, auf Deutsch Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Allerdings werden diese Grundsätze und ihre Entwicklung durch Verbesserungen auf Halbleiter- und Gehäuseebene verkompliziert. Beide Ausführungen müssen deshalb von Entwicklern bei jedem einzelnen Fall genau betrachtet werden, damit sie herausfinden können, welches der Systeme sich unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen jeweils eignet.

 transformator

Bild von  garryknight

Die Steuerung elektrischer Systeme basiert zu einem großen Teil auf den Bausteinen der Leistungselektronik, denn immer mehr Verbraucher fordern einen niedrigeren Stromverbrauch und eine höhere Energieeffizienz von Geräten und Anlagen, angefangen bei Haushaltsgeräten über Heiz- und Kühlsysteme bis hin zu industriellen Motoren. Der weltweite Elektrizitätsverbrauch wird derzeit zu 45 Prozent von Elektroantrieben ausgemacht. Wenn das Ziel, einen immer größeren Anteil der weltweiten Energienachfrage aus erneuerbaren Quellen zu stillen, erreicht werden soll, dann ist die Auswahl der unterschiedlichen Transistoren, Leistungsschalter und Module für Subsysteme wichtiger denn je. 

In Wechselrichtern und Motoransteuerungen stellt eine Halbbrücke eine weit verbreitete Schalttopologie für die unterschiedlichsten Anwendungen in Nennspannungen, Nennströmen und Nennleistungen dar. Die High-Side- und Low-Side-Schalter der Halbbrücke werden im Normalfall von MOSFETs oder IGBTs implementiert, doch ganz so einfach haben es die Entwickler dann doch nicht, denn die Bausteine müssen mittlerweile nach dem für die entsprechenden Betriebsbedingungen geeigneten Nennwert ausgewählt werden. Handelt es sich um Applikationen mit höheren Spannungen, zieht man im Normalfall IGBTs vor (mehr Informationen darüber hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Bipolartransistor_mit_isolierter_Gate-Elektrode ), in Niederspannungsanwendungen werden MOSFETs eher verwendet. Doch es gibt auch Zwischenbereiche, in denen die Verwendung einer bestimmten Transistorart nicht ganz so eindeutig ist. Die speziellen Anforderungen der Applikation und spezifischen Parameter der zur Wahl stehenden Bausteine müssen in einem solchen Fall von den Entwicklern genau überprüft werden. 

Der Leistungsschalter an sich ist insbesondere für hohe Ströme ausgelegt und schaltet nicht nur Betriebsströme und geringe Überlastströme sondern ist bei Fehlern auch für das Schalten hoher Überlastströme und Kurzschlussströme verantwortlich, die dann die Fehlerströme über eine vorgegebene Zeit halten und sicher ausschalten. Der Leistungsschutzschalter fungiert vom Ding her also auch als einfaches Schaltelement beim Netzschutz, wenn es zu Fehlern wie Kurzschlüssen oder Erdschlüssen kommt. Die Ansteuerung erfolgt über unterschiedliche Mechanismen und richtet sich vordergründig nach der zu schaltenden Leistung. Handantriebe oder aber auch so genannte Kraftantriebe können als Antrieb für den Leistungsschalter verwendet werden. Bei Kraftantrieben handelt es sich um Antriebe, die nicht nur die Kraft des Menschen betätigt werden sondern per Magnet, Motor, Feder oder Druckluft. Die Steuerung elektrischer Systeme ist insofern komplizierter geworden, als dass sich in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten viele Anforderungen verschoben haben. Der Einsatz der modernen IGBTs und MOSFETs erfordert ein entsprechendes Know How, damit die Steuerungen und Schaltungen der Systeme weiterhin fehlerfrei und ohne Probleme ablaufen können.

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One Response to “Ausflug in die Technik: Steuerung elektrischer Systeme”

  1. p-si sagt:

    wusst ich gar nicht.