Halbleiterschütze ermöglichen die exakte Temperaturreglung in Klimakammern

März 2006

CTS-Geschäftsführer Helmut Maute (rechts) und Einkaufsleiter Udo Meerbott vertrauen auf die Vorteile von Hightech-Komponenten

Bei klimatischen Bedingungen, unter denen jeder normale Mensch Schockzustände bekommt, beginnt für Spezialisten im Bereich Umweltsimulation der ganz normale Alltag. Mit ihren Prüfkammern bilden sie Situationen und Einflüsse ab, die gegensätzlicher nicht sein könnten. Damit lassen sich Bauteile unterschiedlichster Art in kurzer Zeit auf ihre Qualität prüfen. Für genau reproduzierbare Temperaturverhältnisse sorgen Halbleiterschütze, die auch im Dauerbetrieb kurze Schaltzyklen erlauben.

"Die Physik ist unsere Grenze", betont Dipl.-Ing. Helmut Maute, Geschäftsführer der CTS Umweltsimulation GmbH im schwäbischen Hechingen. Und in der Tat bedeuten die meisten Aufträge für ihn und seine Mannschaft eine Gratwanderung zwischen dem technisch Machbaren und dem schier Unmöglichen. Denn sie sind Spezialisten im Bereich der Umweltsimulation. Das bedeutet, dass sie in entsprechend aufgebauten Kammern die widrigsten Umwelteinflüsse wie Hitze, Kälte, Klima, Vibration, Licht, Schadgas oder Salznebel nachstellen. "Entscheidend ist, dass wir sehr viel Know-how im Bereich Maschinenbau, Verfahrenstechnik und Elektronik besitzen", erklärt Maute. Das führt dazu, dass stets moderne Technik eingesetzt wird, um die angesprochenen Grenzen des Machbaren immer weiter fassen zu können. Ein Beispiel sind die Halbleiterschütze Sirius SC von Siemens. "Damit haben wir nur die besten Erfahrungen gemacht; Heizungsausfälle reduzieren sich dadurch nahezu auf Null", bestätigt Dipl.-Ing. Udo Meerbott, Leiter der Auftrags- und Materiallogistik.

Das Besondere an diesen Niederspan-nungs-Schaltgeräten ist, dass sie geräuschlos und praktisch verschleißfrei schalten. Gerade wenn es darauf ankommt, Temperaturen exakt zu Regeln, sind sie für das Schalten der Heizelemente geeignet. "Wir verfolgen bei der Planung von Anlagen die Philosophie der Gleichteile", betont Meerbott. Das Unternehmen baut deshalb in alle seine "Kammern" den Sirius-SC-Typ 3RF23 mit 20 A Bemessungsstrom ein und nutzt das abgestufte Typenspektrum mit einem Schaltvermögen von bis zu 90 A gar nicht aus. "Diese belasten wir standardmäßig mit 9 oder 13 A", ergänzt Meerbott.

Schockprüfung bis zu 300 °C Temperaturunterschied

Jährlich verlassen rund 400 solcher Klimakammern das Werk in Hechingen. Häufig lautet die Aufgabenstellung, eine Prüfkammer für besonders krasse Temperaturunterschiede zu bauen. Das heißt z. B., in der oberen Hälfte sollen +200 °C herrschen und in der unteren vielleicht -80 °C. Die Schockprüfung für entsprechende Bauteile besteht darin, sie zyklisch zwischen diesen beiden Extremen hin und her zu fahren.

Sowohl verfahrenstechnisch als auch maschinenbauseitig sind hierfür höchste Ansprüche zu erfüllen. Die Temperaturgenauigkeit für den beheizten Bereich liegt z. B. je nach Anforderung in der Größenordnung von 0,1 bis 1 °K. "Das können wir nur mit Halbleiterschützen erreichen", weiß Maute. Bei ohmschen Lasten, wie sie in dieser Anwendung auftreten, lassen sich die Sirius SC komfortabel über die Nullpunktschaltung betätigen. Das hat den Vorteil, dass die Schütze in diesem Punkt wenig thermisch belastet werden, was sich automatisch positiv auf deren Lebensdauer auswirkt.

Je nach Bedarf wird über Einschaltdauer und -häufigkeit der notwendige Strom feinfühlig dosiert. Bei CTS bewegt sich das Impuls-Pausen-Verhältnis bei 0,5. Das bedeutet konkret, pro Sekunde werden die Halbleiterrelais einmal ein- und ausgeschaltet. Das zeigt sofort einen weiteren Vorteil, nämlich das lautlose und verschleißfreie Schalten dieser Schaltgeräte.

Seit mittlerweile drei Jahren verwenden die Hechinger diese Halbleiterschütze. Nach ihrer Erfahrung ist es von großem Vorteil, dass diese und die dazu passenden Kühlkörper exakt aufeinander abgestimmt sind. "Die so aufgebauten Halbleiterschütze brauchen wir nur noch auf die Hutschiene zu schnappen und zu verdrahten", berichtet Manfred Schuler, zuständig für Entwicklung und Konstruktion. Durch den isolierten Montagefuß funktioniert das problemlos und selbst auf Trägerplatten lassen sich die Schütze mit Hilfe von Befestigungsschrauben montieren.

Wichtig beim Aufbau einer Temperaturregelung ist natürlich die Verarbeitung der Sensorrückmeldung. Deshalb bietet Siemens passende Funktionsmodule an. Ein Konverter wandelt dabei ein analoges Signal in ein pulsweitenmoduliertes Digitalsignal um. Die betreffenden Halbleiterschütze und -relais können damit leicht in eine Leistungsregelung eingebunden werden. Bei CTS geht man einen anderen Weg, wie Schuler bestätigt: "Wir führen die Signale unserer PT100-Temperatursensoren direkt auf unsere Steuerung und schließen damit den Regelkreis mit den Sirius-SC."

Funktionsmodule für unterschiedlichste Anwendungen

Fällt im Betrieb ein Heizelement aus, können die vorgegebenen Temperaturprofile evtl. nicht mehr eingehalten werden und der Anwender muss reagieren. Die Anwender der Klimakammern sehen das meist pragmatisch. "Eine Ausfallerkennung", so Maute, "ist für unseren Bedarf nicht notwendig." Sollten wirklich mal ein oder mehrere Heizelemente ihren Dienst verweigern, so erkennt das der Betreiber schnell am Temperaturabfall in der Kammer. Danach kann er entscheiden, ob er die Tests kurzzeitig unterbricht oder entsprechend länger fährt. Dagegen hat in einer Produktion die Reaktionszeit bei einem Temperaturabfall oft einen erheblichen Einfluss auf den Prozess, z. B. beim Verkleben von mehreren Komponenten. Für solche Anwendungsfälle bietet Siemens im Sirius-Programm das Modul "Lastüberwachung", das im angeschlossenen Lastkreis einen Heizkreisausfall blitzschnell erkennt und signalisiert. Bis zu sechs Elemente kann dieses Modul in der Standardausführung beobachten - in der erweiterten sind es sogar zwölf.

Ein typischer Auftrag für CTS ist z. B. eine Schocktestkammer mit 130 l Inhalt, aufgeteilt in eine obere heiße und eine untere kalte Zone. Ein Aufzugsystem, das über eine Kugelrollspindel angetrieben wird, bewegt die Prüflinge auf und ab. Für die Aufheizung auf über 200 °C sorgen drei Sirius-SC-Halbleiterschütze mit je 25 A Bemessungsstrom. Von oben erfolgt der Netzanschluss, nach unten geht es zu den Verbrauchern. Bei den reinen Halbleiterrelais gibt es jedoch auch die Möglichkeit, die gesamte Verkabelung von oben zu führen. Dies gilt für die 45 mm breite Bauform 3RF20.

Das richtige "Schuhwerk" entscheidet

Die Entwicklung und der Bau von Kammern zur Umweltsimulation erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Produkthaftungsgesetze und die steigenden Qualitätsansprüche von Endkunden sorgen weltweit für viel Bewegung in diesem Nischenmarkt. Das gibt Unternehmen mit dem entsprechenden Wissen die Chance, ihre Leistungsfähigkeit zu beweisen und dabei die Grenzen des Machbaren sukzessive zu ihren Gunsten zu verschieben. "Die Voraussetzung dafür ist", betont Maute abschließend, "in allen Bereichen stets modernste Technik zu nutzen und auf zuverlässige Komponenten bauen zu können." Schließlich ist das richtige "Schuhwerk" für Wanderer zwischen den Welten Erfolgs entscheidend.

von Siegfried Grupp und Markus Meier-Rampf

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SIEMENS A&D 901
Autoren: Siegfried Grupp ist Vertriebsbeauftragter und Markus Meier-Rampf ist Marketing-Promotor bei der Siemens AG Automation and Drives in Stuttgart

MSR-Magazin, Heft 03/2006, S. 38
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