Inrush Current Leidvolle Erfahrungen mit dem Inrush Current vermeiden

Redakteur: Andreas Leu

Der Einschaltstrom einer Stromversorgung ist oft deutlich höher als der Nennstrom, wird aber in vielen Datenblättern nur am Rande erwähnt. Das kann zu Schwierigkeiten führen.

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Dem hohen Einschaltstrom eines Schaltnetzteils wird oft nur wenig Beachtung geschenkt. Bilder: inpotron Schaltnetzteile GmbH.
Dem hohen Einschaltstrom eines Schaltnetzteils wird oft nur wenig Beachtung geschenkt. Bilder: inpotron Schaltnetzteile GmbH.
(Bild: Inpotron)

Meist beschreibt nur eine kleine Zeile im Spezifikationsblatt einer Stromversorgung den Inrush Current (Einschaltstromstoss). Dazu gibt es leidvolle Erfahrungen. Warum haben Anwender mit den Auswirkungen des Einschaltstromstosses häufig so immense Probleme? Wie sind die Begrifflichkeiten zu verstehen, und welche Auswirkungen ergeben sich daraus? Was bedeutet Kaltstart wirklich? Es soll aufgezeigt werden, welche Schwierigkeiten auftreten, wie diese zu bewerten sind und welche Massnahmen wirksam sein können, um eine nachhaltige Lösung zu erhalten.

Der Einschaltstrom ist oft deutlich höher als der Nennstrom

Als Einschaltstrom bezeichnet man den elektrischen Strom, der unmittelbar nach dem Einschalten eines elektrischen Verbrauchers fliesst. Er ist oft deutlich höher als der Nennstrom. Einschaltströme treten vor allem bei Transformatoren, Motoren, Heizwendel, Glühlampen, DC / DC-Wandler und allgemein bei Stromversorgungen auf.

Ursachen des hohen Einschaltstroms

Die Hauptursache des Einschaltstroms ist der Ladestrom, der in den Elektrolytkondensator C1 fliesst (Bild 2). Dieser weist eine grosse Kapazität auf. Eine entladene Kapazität stellt einen Kurzschluss für das speisende Netz dar. Zusätzlich fliesst ein Ladestrom in die Filterkondensatoren (Filter C). Dieser ist weniger wichtig, da die Filterkondensatoren eine deutlich geringere Kapazität als der Elektrolytkondensator C1 aufweisen.

Wie sich ein Einschaltstrombewerten lässt

Um einen Einschaltstrom bewerten zu können, ist unter anderem das Schmelzintegral I²t ausschlaggebend. Um das Schmelzintegral für übliche Einschaltstromstösse leicht berechnen zu können, gilt die Faustformel ½*Imax2*T50.

Dabei wird für Imax die maximale Amplitude des Einschaltstroms eingesetzt. T50 beschreibt die Impulsdauer in der Imax/2 überschritten wird.

Bei Anwendung dieser Formel wird klar, dass die Stromspitze, verursacht durch die Filterkondensatoren, vernachlässigt werden kann. Diese weist einen deutlich geringeren Energiegehalt auf als der Einschaltstrom verursacht durch den Elektrolytkondensator.

Wieso ist der Einschaltstrom so wichtig?

Durch einen hohen Einschaltstrom werden das speisende Netz und dessen Komponenten stark belastet. Es kann zu strombedingten Spannungseinbrüchen kommen, die unter anderem andere Geräte beeinflussen. Leitungen, Schalter und Relais müssen diese hohen Ströme vertragen können, ohne dabei beschädigt zu werden. Das wahrscheinlich wichtigste Merkmal zu hoher Einschaltströme ist das ungewollte Auslösen von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern.

Sicherungsautomaten und Sicherungen

Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Mechanismen für das Auslösen von Sicherungsautomaten. Der erste Mechanismus ist der Überlastschutz, der mit einem Thermo-Bimetall-Auslöser arbeitet. Er wird durch Erwärmung ausgelöst, das heisst, er ist zeit- und stromabhängig. Der zweite Mechanismus ist der Kurzschlussschutz. Dieser kann mithilfe eines Elektromagnetauslösers, der ausschliesslich stromabhängig ist, extrem schnell in Gang gesetzt werden. Beim Einschalten von Stromversorgungen ist ausschliesslich der Kurzschlussschutz für das Auslösen der Sicherung massgebend. Bei Sicherungen sollte darauf geachtet werden, dass das Schmelzintegral l²t ausreichend hoch ist.

Parallelschaltung mehrerer Geräte

Im Falle einer Parallelschaltung mehrerer Stromversorgungen an einer Sicherung muss besonders achtgegeben werden. Die Einschaltströme jeder Stromversorgung addieren sich und führen oft zu ungewolltem Auslösen der Sicherung. Der stark wachsende LED-Markt ist hierfür ein gutes Anwendungsbeispiel. Jede LED-Leuchte benötigt einen LED-Treiber. Da meistens mehrere Leuchten parallel betrieben werden, muss auf den Einschaltstrom der Treiber geachtet werden. Ein weiteres Beispiel ist die Gebäudeautomation, wenn alle Rollläden eines Gebäudes gleichzeitig angesteuert werden.

Passive Einschaltstrombegrenzung mit NTC

Die wohl gängigste Methode der Einschaltstrombegrenzung ist die Verwendung eines NTC. Ein NTC ist ein temperaturabhängiger Widerstand (Heissleiter). Dieser verringert seinen Widerstandwert bei steigender Temperatur. Der NTC wird in den Leistungspfad implementiert und begrenzt im kühlen Zustand (Kaltstart) den Einschaltstrom. Dieser erwärmt sich mit der Zeit und verringert seinen Widerstand, sodass er im Normalbetrieb weniger Verluste verursacht. Die Vorteile dieser Lösung sind die einfache Umsetzung, geringer Bauteilaufwand und damit verbunden die niedrigen Kosten. Ausserdem ist der NTC sehr robust.

Die Nachteile wiederum sind der temperaturabhängige Einschaltstrom, ein schlechterer Wirkungsgrad und schlechte Begrenzung nach einem Start des Netzteils bei einem Netzunterbruch (Warmstart).

Aktive Einschaltstrombegrenzung mit NTC

Die aktive Einschaltstrombegrenzung mittels NTC hebt die Nachteile der passiven Begrenzung auf. Der NTC begrenzt den Einschaltstrom beim Einschalten des Netzteils. Damit dieser im Normalbetrieb keine Verluste mehr verursacht, wird er mit einem Schalter gebrückt. Dazu kann beispielsweise ein Relais verwendet werden. Zusätzlich wird der Einschaltstrom nach einer Netzunterbrechung wieder effektiv begrenzt, da der NTC im Normalbetrieb wieder Zeit hat, sich abzukühlen. Die Nachteile hierbei sind der erhöhte Schaltungsaufwand und die damit verbundenen Kosten. Anstatt eines NTC mit aktiver Überbrückung können auch Festwiderstände oder PTC (Kaltleiter) verwendet werden. Zur Überbrückung kann anstatt eines Relais auch ein Mosfet, ein Thyristor oder ein Triac verwendet werden. Es gibt noch viele andere Arten der Einschaltstrombegrenzung, beispielsweise das gepulste Aufladen der Eingangskondensatoren durch eine Zusatzschaltung, das Minimieren der Eingangskapazität und so weiter.

Datenblattangaben könnenirreführend sein

Die Datenblattangaben verschiedener Hersteller bezüglich des Einschaltstroms, müssen genau angeschaut werden. Diese können irreführend und wenig informativ ausfallen. Man sollte unbedingt darauf achten, unter welchen Bedingungen der Einschaltstromstoss spezifiziert ist. Ausserdem ist es wichtig, ob nur ein typischer oder ein maximaler Wert angegeben ist. Der reale Wert könnte unter Umständen höher sein als der typisch angegebene Wert. Um die Anforderungen an den gewünschten Begrenzer zu verstehen, müssen folgende Fragen gestellt werden:

  • Gibt es einen von Ihnen gewünschten maximalen Einschaltstrom?
  • Welche Erwartungen haben Sie an den Einschaltstrombegrenzer? (Klärung Verständnis für Kalt- und Warmstart)
  • Welche Vorsicherungen, Schalter, Relais sind in Ihrem Gerät verbaut?
  • Welche Vorsicherungen, Schalter, Relais sind für den Endkunden für Ihr Gerät zulässig?
  • Werden mehrere Geräte parallel geschalten? Wenn ja, wie viele maximal?

Messung des maximalen Einschaltstroms

Ziel der Messung ist es, den maximalen Einschaltstrom zu messen. Dabei muss auf gewisse Dinge geachtet werden. Bei jeder Messung ist sicherzustellen, dass die Eingangskondensatoren komplett entladen sind. Der Betrieb des Netzteils an einer Last kann dabei helfen. Unabhängig davon, ob man einen Kalt- oder einen Warmstart messen möchte, ist zu gewährleisten, dass im Spannungsmaximum einer Sinushalbwelle eingeschaltet wird. In der Regel ist der Einschaltstrom unabhängig von der Ausgangslast. Ausserdem muss auf die Umgebungs- und die Bauteiltemperatur geachtet werden. Bei einem Kaltstart sollte der NTC beispielsweise kalt und bei einem Warmstart dementsprechend heiss sein. Vor einem Kaltstart sollte der NTC genügend Zeit haben, sich abzukühlen. Einen Warmstart kann man gewährleisten, indem man das Netzteil längere Zeit unter Volllast betreibt. Zudem müssen die Unterschiede verschiedener speisender Netze / Quellen beachtet werden. Bei einer AC-Quelle darf der maximale Spitzenstrom (Peak), den die Quelle liefen kann, nicht den maximalen Einschaltstrom des zu messenden Netzteils unterschreiten. Da eine AC-Quelle eine geringe Impedanz aufweist, treten bei hohen Peakströmen geringe bis keine Spannungseinbrüche auf. Falls der Einschaltstrom mithilfe eines Trenntransformators gemessen wird, treten niedrigere Einschaltströme und grössere Spannungseinbrüche auf, da dieser eine relativ hohe Impedanz aufweist. Dies kann je nach verwendetem Trenntransformator variieren. Bei Messung am direkten Versorgungsnetz kann es zu starkem Schalterprellen beim Einstecken des Netzteils kommen. Das macht es fast unmöglich, eine vernünftige und reproduzierbare Messung aufzunehmen. Ein guter Schalter, der kein Prellen aufweist, kann hier Abhilfe schaffen. Dabei kommt es zu Spannungseinbrüchen im Versorgungsnetz, da das Netz eine relativ hohe Impedanz aufweist. Dies hängt stark davon ab, wie gross der Abstand von der zur Messung genutzten Steckdose bis zum Verteiler ist. Ausserdem muss beim Messen am direkten Netz besonderes auf Sicherheit geachtet werden.

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