Wer schon einmal in einem Schaltschrank in einer Fabrikhalle gearbeitet hat, dem ist vielleicht aufgefallen, dass 24 Volt Gleichstrom zur Ansteuerung von Relais, Schützen und anderen Automatisierungsgeräten verwendet werden. In der Automatisierungsindustrie gelten diese 24 Volt als Standard für Niederspannungsversorgung und Signalübertragung. Doch warum gerade diese Spannung und warum Gleichstrom? Was macht 24 Volt Gleichstrom so besonders, dass er für so viele verschiedene Anwendungen geeignet ist?In diesem Artikel gehen wir den verschiedenen Gründen nach, warum wir 24 VDC verwenden, und vergleichen diesen Standard mit anderen Spannungen, die wir in unserem Schaltschrank vorfinden könnten.Sicherheit im SchaltschrankNicht nur die Bediener, sondern auch die Geräte im Schaltschrank müssen sicher sein. Um diese Sicherheit zu gewährleisten, sollten sie mit einer Spannung betrieben werden, die als Kleinspannung (Extra-Low Voltage, ELV) gilt. Eine Kleinspannung liegt unter 120 V DC und unter 50 V AC. Spannungen in diesem Bereich bergen ein deutlich geringeres Risiko eines Stromschlags, falls jemand den Stromkreis mit dem Körper unterbricht. Die Klassifizierung von Kleinspannung ist in der IEC 60038 und den Richtlinien des UK IET (Institute of Electrical and Electronics Engineers) definiert.Dies ist also der erste Grund für die Wahl von 24 VDC: Es bietet eine sicherere Arbeitsumgebung.SpannungsabfallWer schon einmal Elektrotechnik in der Schule belegt oder online Videos dazu gesehen hat, kennt wahrscheinlich das Ohmsche Gesetz, das den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand beschreibt. Der Spannungsabfall ist die Spannungsdifferenz, die durch den Stromfluss durch einen Widerstand entsteht. Eine häufige Widerstandsquelle ist die Kabellänge selbst. Je länger das Kabel, desto höher der Widerstand im Stromkreis und desto größer ist somit auch der Spannungsabfall.Um den Kabelwiderstand zu verringern, müssten wir den Querschnitt des Kabels vergrößern (im Wesentlichen ein Kabel mit größerem Durchmesser verwenden), aber das ist kostspielig und in Situationen mit hoher Flexibilität nicht praktikabel.Eine Alternative besteht darin, die Spannung zu erhöhen. Dadurch verringert sich der von der Last benötigte Strom (nachgewiesen durch das Watt'sche Gesetz, das den Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Leistung erklärt) und somit auch der Spannungsabfall (nachgewiesen durch das Ohmsche Gesetz).Durch Forschung haben Ingenieure festgestellt, dass 24 Volt die perfekte Spannung ist, um relativ lange Kabelstrecken ohne Verwendung von Drähten mit großem Durchmesser zu realisieren.Lärmige UmgebungenBei geräuschvollen Industrieumgebungen geht es nicht um hörbaren Lärm, sondern um elektrisches Rauschen.Geräte mit Frequenzumrichtern, Servoantrieben oder großen Schützen erzeugen erhebliche elektrische Störungen (EMI) im elektrischen System. Bei niedrigen Steuerspannungen, wie z. B. 5 V DC, können diese Störungen von den Empfangsgeräten fälschlicherweise als Triggersignal interpretiert werden.Bei einer Steuerspannung von 24 Volt ist es unwahrscheinlich, dass das elektrische Rauschen eine Amplitude erreicht, die hoch genug ist, um ein Steuersignal zu imitieren.Man könnte sich also fragen: „Warum nicht die Steuerspannung noch höher einstellen, wodurch sie noch weniger anfällig für Störungen und Spannungsabfälle wäre?“ Das stimmt zwar, aber sobald man sich dem unsicheren (nicht ELV-)Pegel von 120 VDC nähert, besteht die Gefahr eines Stromschlags.Ein 24-V-Gleichstromnetzteil ist an eine Relaisplatine angeschlossen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Unsplash.Warum DC?In einem elektrischen System gibt es zwei Arten von Spannung: Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC).In einem Wechselstromsystem wechselt die Stromrichtung zwischen positiv und negativ, während Gleichstrom (üblicherweise) nur in eine Richtung fließt, von positiv nach negativ. Die wechselnde Frequenz der Wechselspannung birgt die Gefahr eines Stromschlags. Wechselspannung kann bekanntermaßen Muskelkrämpfe auslösen oder Herzrhythmusstörungen verursachen, selbst bei niedrigen Werten.Ein weiteres Problem bei Wechselspannung besteht darin, dass die meisten modernen Steuergeräte (SPS, Frequenzumrichter usw.) mit Halbleiterbauelementen arbeiten, die nur mit Gleichspannung funktionieren. Bei Wechselspannung im Schaltschrank müsste jedes dieser Steuergeräte einen internen AC/DC-Wandler enthalten, was die Kosten erhöht. Die Gleichspannungswandlung hingegen erfolgt nur einmal, was allen Halbleiterbauelementen zugutekommt.Aus Gründen der Sicherheit und der Konstruktionseffizienz wird Gleichspannung als Industriestandard für Niederspannungssteuerung und -signalisierung gewählt.Wann sollte man Klimaanlage benutzen?Auch wenn Gleichspannung eine Standardspannung ist, heißt das nicht, dass Wechselspannung keine Berechtigung hat.Geräte mit hoher LastIn manchen Situationen, in denen eine große Last gesteuert werden muss, würde eine 24-V-Gleichspannung zu viel Strom ziehen, weshalb eine andere Steuerspannung benötigt wird. Einige große Motorschütze verwenden aus diesem Grund 120 V oder sogar 220 V Wechselspannung. Diese Spannung ist im Motorschaltschrank bereits verfügbar, daher ist es sinnvoll, sie für diese größeren Steuerungen zu verwenden.Platz- und KostenersparnisEin weiterer Grund für die Verwendung einer Wechselstrom-Steuerspannung besteht darin, dass im Schaltschrank schlichtweg nicht genügend Platz für ein Netzteil vorhanden ist. Die Netzspannung muss auf 24 V Gleichstrom umgewandelt werden. Ist hierfür kein Platz vorhanden, kann ein Wechselstrom-Schütz in Betracht gezogen werden. Benötigen keine Steuergeräte Gleichstrom, ist es unter Umständen kostengünstiger, auf das Netzteil zu verzichten und stattdessen Wechselstromrelais und -magnetventile zu verwenden.StandardisierungWie bei Software oder Programmiersprachen ist Standardisierung der Schlüssel zum Erfolg. In der Elektroindustrie hat sich 24 VDC als Steuerspannung etabliert. Das bedeutet, dass Sie eine SPS von einem chinesischen Hersteller und einen E/A-Block von einem brasilianischen Hersteller erwerben können – beide funktionieren mit 24 VDC.Durch die Standardisierung sparen Designer und Ingenieure Zeit, da sie nicht nach unterschiedlichen Netzteilen suchen oder sicherstellen müssen, dass sie die richtige Spannung verwenden.Messung der elektrischen Spannung an Schützen in einem Schaltschrank. Bild mit freundlicher Genehmigung von Unsplash.Spannung: Nicht nur eine willkürliche ZahlWie Sie sehen, gibt es viele Gründe, warum wir 24 Volt für die Signalisierung und Steuerung von Geräten verwenden. 24 V Gleichstrom sind sicher im Umgang, zuverlässig in lauten Umgebungen und eignen sich für die Übertragung über große Entfernungen.Obwohl es Situationen gibt, in denen Wechselspannung erforderlich sein kann, ist die bevorzugte Methode meist die Verwendung einer Steuerspannung wie 24 V Gleichspannung. Wie immer gilt: Lesen Sie beim Umgang mit elektrischen Bauteilen die Dokumentation und informieren Sie sich über die benötigte Versorgungsspannung Ihrer Geräte.
