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Relaisschaltung – Betrieb des AT-Testers

Der technische Hintergrund der Tester der AT-Serie
Erklärt, wie die Knoten während des Tests funktionieren, um schnelle und genaue 4-Draht-Messungen zu ermöglichen

Relaisschalttechniken – Die 20-Knoten-Relaismatrix

Der Voltech AT5600 verwendet eine 20-Knoten-Relaismatrix, die in Paaren von Federsonden endet, um den Anschluss von Standardgeräten an das Gerät zu ermöglichen.
Jedes Paar Federsonden (ein Knoten) ist mit vier Hochspannungsrelais verbunden, die für die Messung des vollen Kelvins (4-Draht) konfiguriert sind.
Zwei dieser Relais, „Source Hi“ und „Source Lo“ (das „Strom“-Paar), werden aktiviert, um die zu prüfende Komponente mit der Spannungs-/Stromquelle zu versorgen.
Die verbleibenden zwei Relais, „Measure Hi“ und „Measure Lo“ (das „Sense“-Paar), werden aktiviert, um die Spannungs-/Stromquelle an den Messkreis weiterzuleiten.
Diese Konfiguration ist unten in Abbildung 1 für einen der Knoten dargestellt, die mit einem Ende einer zu prüfenden Transformatorwicklung verbunden sind.

Abbildung 1

Diese Art der Kelvin-Relaisanordnung für jeden der 20 Knoten wird vollständig vom AT5600 gesteuert und ist über die mitgelieferte AT Editor-Software programmierbar.
Es gibt keine Einschränkungen, welcher Knoten für welche Transformatorwicklung verwendet wird.

Figur 2
Das Bild rechts ist ein Screenshot der AT Editor-Software.
Es handelt sich um eine grafische Darstellung der tatsächlichen 20-Knoten-Relaismatrix auf dem AT-Tester selbst.
Jeder nummerierte Knoten (1–20) stellt das in Abbildung 1 oben gezeigte Vier-Relais-Schema dar.
Es gibt vier Relais pro Knoten und 20 Knoten, also insgesamt 80 Relais.

Optimierung der Relaiszuverlässigkeit

Als Schaltgerät wird oft angenommen, dass Relais eine minderwertige Alternative zu Halbleiterschaltern darstellen. Allerdings bieten Relais die Möglichkeit, im geöffneten Zustand Tausende von Volt abzuhalten, und im geschlossenen Zustand bieten sie immer noch einen Kontaktwiderstand von einigen zehn Milliohm – Eigenschaften, die kein Halbleitergerät heute oder in der Zukunft bieten kann vorhersehbare Zukunft.
Der Hauptgrund dafür, dass Relais als minderwertige Komponenten angesehen werden, liegt darin, dass man davon ausgeht, dass sie unzuverlässig sind.
Die mechanische Lebensdauer eines Relais beträgt jedoch mehr als 100.000.000 Schaltspiele – genug, um in einer stark beanspruchten Transformatortester-Anwendung mehr als zehn Jahre zu halten, vorausgesetzt, die richtige Technik zum Schalten des Relais wird verwendet. Voltech hat eine solche Technik entwickelt.

Um die Lebensdauer der Relais zu maximieren, werden die Spannungs- und Stromquellen des AT3600 vor dem Öffnen und Schließen der 80 Hochspannungsrelais abgeschaltet.
Zu Beginn eines Tests werden die Relais geschlossen, bevor die Spannung erhöht wird.
Am Ende eines Tests prüft der AT3600 den Strom durch die Relais. Wenn immer noch Strom fließt, wartet der AT3600, bis dieser auf Null gesunken ist, bevor er die Relais öffnet.
Diese Technik ist als Kaltschaltung bekannt und minimiert jegliche Lichtbogenbildung an den Relaiskontakten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kontakte nur minimal beschädigt werden und somit die Lebensdauer der Relais und des AT3600 selbst maximiert wird.

Die Bedeutung der Strommessung für das Kaltschalten wird in Abbildung 3 unten veranschaulicht.

Wenn Relais eine bestimmte Zeit nach dem Abschalten der Versorgung geöffnet werden, müsste dies eine lange Zeit sein, um mit der Worst-Case-Komponente fertig zu werden, was unnötigerweise Testzeit für die meisten Komponenten verschwendet.
Wenn andererseits die Zeit zu kurz gewählt wird, unterliegen die Relais einem Unterbrechungsstrom, der zu Lichtbögen führt und ihre Lebensdauer verkürzt.

Die meisten Transformatortestlösungen, die eine externe Matrix verwenden, verwenden einfach eine feste Zeit, um zu bestimmen, wann Relais geöffnet werden müssen, mit dem daraus resultierenden Risiko von Lichtbogenbildung und Leistungsverschlechterung des Relais.
Bei seiner AT-Produktserie maximiert Voltech sowohl Geschwindigkeit als auch Zuverlässigkeit durch den Einsatz einer integrierten Matrix mit Quelle und Messung, einer aktiven Entlademethode, um den Strom so schnell wie möglich zum Abklingen zu bringen, und der Messung, wann der Strom vor dem Öffnen auf Null fällt.
Der Öffnungs- und Schließvorgang der Relais erfolgt extrem schnell (ungefähr drei Millisekunden Schließzeit und eine Millisekunde Freigabezeit).

Um die Betriebsgenauigkeit des AT3600 aufrechtzuerhalten, wurde eine sehr umfangreiche Selbsttestroutine in den AT5600 integriert.
Die Selbsttestsequenz wird vom Benutzer eingeleitet, nachdem die Einschaltsequenz abgeschlossen ist. Der Selbsttest wurde entwickelt, um den Betriebsbereich des Produkts vollständig zu testen, einschließlich des Kontaktwiderstands seiner 40 Quell- und 40 Messrelais.
Der Kontaktwiderstand kann sich über viele Monate hinweg erhöhen, da moleküldicke Verunreinigungen zur Kontaktoberfläche wandern.
Wenn an einem Relaiskontakt ein Kontaktwiderstand größer als ein festgelegter Wert festgestellt wird, wird automatisch ein einzigartiger elektronischer Reinigungsprozess eingesetzt, bis der Relaiskontakt seinen ursprünglichen niedrigen Wert erreicht. Durch diese Maßnahme wird der Lebenszyklus der Relais weiter maximiert.

Schlussfolgerungen

Jedes der 80 Relais des AT3600 verfügt über eine durchschnittliche, praxiserprobte mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) von über 100.000.000 Schaltvorgängen, eine Hochspannungsfestigkeit von 10 kV DC oder Spitzenwechselstrom und einen Schaltstrom von bis zu 3 Ampere Gleichstrom oder Spitzenwechselstrom.
In Verbindung mit der integrierten Selbsttestsequenz, den Relaisschaltgeschwindigkeiten, dem Kelvin-Messsystem, den tatsächlichen Schaltmethoden und dem einzigartigen elektronischen Relaisreinigungsprozess des AT3600 ist es eine der genauesten und zuverlässigsten Methoden zur Transformatorbefestigung und -prüfung, die es gibt ein Instrument.

Beachten

Die Anordnung mehrerer Relais, Signalquellen und Messkreise, die in den Testern der AT-Serie von Voltech verwendet werden, ist durch die folgenden Patente geschützt:
USA: US5500598 ; Großbritannien: 2261957B ; Europa: 0621953B .