Wie sich Einschaltströme wirkungsvoll begrenzen lassen

| Autor / Redakteur: Christoph Jehle * / Thomas Kuther

Bild 1: Stromverlauf an einem Gleichrichter ohne Einschaltstrombegrenzung (rot) und mit Einschaltstrombegrenzung (grün).
Bild 1: Stromverlauf an einem Gleichrichter ohne Einschaltstrombegrenzung (rot) und mit Einschaltstrombegrenzung (grün). (Bild: TDK Electronics)

Leistungsstarke Lasten sind beim Einschalten für Sicherungen und Bauelemente ein großer Stressfaktor, da hierbei sehr hohe Ströme fließen. Vermeiden lassen sich diese mit Einschaltstrombegrenzern auf der Basis von NTC- und PTC-Thermistoren, die auch kombiniert eingesetzt werden können.

Beim Einschalten leistungsstarker Verbraucher, z.B. Stromversorgungen, Frequenzumrichter oder Onboard-Charger, treten kurzfristig Ströme auf, die ein Vielfaches des Nennstroms betragen können. Dabei kann es zu unerwünschten Effekten wie dem Auslösen von Sicherungen oder sogar zur Schädigung des Systems kommen. Insbesondere zwei Arten von Lasten sind für hohe Einschaltströme verantwortlich. Zum einen sind das induktive Lasten wie Motoren und Transformatoren, die zum Aufbau der Magnetfelder sehr hohe Ströme benötigen.

Die andere Gruppe sind hochkapazitive Kondensatoren in Gleichspannungs-Zwischenkreisen, die im Einschaltmoment sehr hohe Ladeströme verursachen, was für die Kondensatoren selbst wie auch die Gleichrichter einen erheblichen Stressfaktor darstellt. Bild 1 zeigt den Stromverlauf ohne und mit Einschaltstrombegrenzer.

Niederohmige Widerstände verursachen Verluste

Am einfachsten lassen sich Einschaltströme mit niederohmigen Leistungswiderständen begrenzen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass im Normalbetrieb an diesen Widerständen eine nicht zu vernachlässigende Verlustleistung entsteht. Wesentlich besser ist die Verwendung von Thermistoren in ihrer Funktion als Einschaltstrombegrenzer. Dabei kommen NTC- oder PTC-Thermistoren zum Einsatz, die unterschiedliche thermische Charakteristika und damit Einsatzmöglichkeiten aufweisen. Um alle Vorteile dieser Bauelemente nutzen zu können, bietet es sich an, sie kombiniert einzusetzen. Zu den NTC-Thermistoren:

Elegante Lösung mit NTC- Thermistoren

Eine elegante Lösung zur Begrenzung hoher netzseitiger Einschaltströme ist die Verwendung von EPCOS-NTC-Thermistoren. Zum Funktionsprinzip: Diese keramischen Bauelemente, auch Heißleiter genannt, sind temperaturabhängige Widerstände, deren Widerstandswert mit steigender Temperatur fällt. Sie weisen bei Raumtemperatur einen bestimmten Widerstandswert (R25) auf, der den Einschaltstrom begrenzt. Durch den weiteren Stromfluss erwärmt sich das Bauelement und der Widerstand fällt auf sehr niedrige Werte, die typabhängig deutlich unter 1 Ω liegen. Entsprechend gering sind dabei auch die Verluste bei Nennstrom. Bild 2 zeigt typische Widerstandsverläufe von verschiedenen NTC-Einschaltstrombegrenzern über die Temperatur.

Auswahlkriterien für NTC- Einschaltstrombegrenzer

Die beiden wichtigsten Kriterien zur Bestimmung des geeigneten NTC-Thermistors sind der Anfangswiderstand (R25) sowie der maximale Strom. Zuerst wird der erforderliche Anfangswiderstand bestimmt. Er muss mindestens so groß gewählt werden, dass er durch die Schaltung in Serie mit der Last den Strom auf einen Wert begrenzt, der noch nicht zum Auslösen der Sicherung führt, beziehungsweise keine lastinternen Bauelemente wie Gleichrichtern geschädigt werden.

Das zweite Kriterium ist der maximale Strom, der durch die Leistung der Last bestimmt ist. Wichtig ist hierbei auch das Derating des NTC-Thermistors. Ein typisches Beispiel dafür zeigt Bild 3. TDK bietet ein breites Spektrum an NTC-Thermistoren mit Anfangswiderständen von 0,5 bis 33 Ω und zulässigen Strömen von 1,3 bis 30 A.

Beim Einsatz der Einschaltstrombegrenzer ist zu beachten, dass sie abhängig vom Typ eine Abkühlzeit von 90 s aufweisen, was bei Lasten, die in kurzen Intervallen häufig ein- und ausgeschaltet werden, problematisch sein kann, da ein erwärmter NTC-Thermistor sehr niederohmig ist und somit fast keine Strombegrenzung bietet.

Abhilfe schafft hier eine Überbrückung des NTC-Thermistors durch ein Relais oder einen Thyristor. Diese kann bereits wenige Sekunden nach dem Einschalten geschaltet werden, da die meisten Lasten dann bereits mit dem Nennstrom betrieben werden. Dank der Überbrückung erwärmt sich der NTC-Thermistors nicht. Bild 4 zeigt eine zeitgesteuerte Überbrückungsschaltung für Einschaltstrombegrenzer.

Die Ansprechzeit der Überbrückungsschaltung wird von der Zeitkonstanten aus R1 und C1 sowie dem Wert der Zenerdiode bestimmt. In der Beispielschaltung spricht das Relais nach etwa drei bis vier Sekunden an – abhängig von den Toleranzen der Bauelemente. Beim verwendeten Relais (24 VDC, 8 AAC) liegt die Haltspannung der Spule bei rund 0,5 UN. Durch den Ladestrom von C2 spricht das Relais an und wird nach dem Aufladen von C2 mit der halben Nennspannung betrieben, was den Strombedarf halbiert. Besonders bei großen Nennströmen der Last ist der Leistungsbedarf dieser Schaltung geringer als die Verluste, die sich durch den ständigen Stromfluss durch den NTC-Thermistor ergeben.

Sichere Kondensatorladung mit PTC-Thermistoren

Hochkapazitive Kondensatoren und Kondensatorbänke in Gleichstrom-Zwischenkreisen stellen im Einschaltmoment einen Kurzschluss dar. Um hier eine sichere Strombegrenzung zu erzielen, sollten PTC-Thermistoren statt Festwiderständen verwendet werden. Bei hohem Stromfluss erwärmen sich diese Bauelemente und werden – im Gegensatz zu NTC-Thermistoren – hochohmig und sind somit eigensicher. Dieses Verhalten bietet den Vorteil, dass bei einem Kurzschluss im Zwischenkreis der Strom auf unbedenkliche Werte begrenzt wird, was Festwiderstände nicht bewerkstelligen können, da sie den Strom nicht reduzieren. Bild 5 zeigt den Gleichstrom-Zwischenkreis eines 3-Phasen-Systems mit PTC-Thermistor, der beispielsweise in Frequenzumrichtern zum Einsatz kommt.

TDK bietet für Zwischenkreise eine Reihe spezieller PTC-Thermistoren an, die für Spannungen von 260 bis 560 VDC ausgelegt sind, Widerstände von 22 bis 1100 Ω bei 25 °C bieten, typenabhängig über Zulassungen nach UL, IECQ und VDE verfügen sowie nach AEC-Q200 qualifiziert sind.

Besonders bei größeren Kondensatorbänken ist darauf zu achten, dass die maximale Wärmekapazität und maximal zulässige Temperatur der PTC-Thermistoren nicht überschritten wird. Durch Parallelschaltung können die erforderlichen Wärmekapazitäten erzielt werden. Berechnet wird die erforderliche Mindestanzahl der Bauelemente wie folgt:

Dabei ist n die Anzahl der benötigten PTC-Elemente, k ein Faktor, der von der Spannungsversorgung abhängt (k=1 bei DC; k=0,96 bei 3-Phasengleichrichtung; k=0,76 bei Einphasengleichrichtung), C die Kapazität des Zwischenkreiskondensators in F, V die maximale Ladespannung des Kondensators in V, Cth die Wärmekapazität des PTC-Thermistors, TRef die Referenztemperatur der verwendeten PTC-Thermistoren und TAmax die maximale Umgebungstemperatur.

Im Normalbetrieb muss der PTC-Thermistor beziehungsweise die Parallelschaltung mehrer dieser Einschaltstrombegrenzer nach der Ladung der Zwischenkreiskondensatoren überbrückt werden, um keine Leistungsverluste zu erzeugen. Diese Überbrückung darf allerdings nicht geschaltet werden, wenn im Zwischenkreis ein Kurzschluss vorliegt, etwa aufgrund beschädigter Kondensatoren. Der aussagekräftige Parameter für eine Überbrückungsschaltung ist somit die Zwischenkreisspannung. Erreicht sie nach dem Laden den Sollwert, liegt kein Fehler vor; bleibt sie dagegen über längere Zeit bei einem sehr niedrigen Wert, liegt ein Kurzschluss vor. Somit lässt sich mit wenig Aufwand eine Komparatorschaltung realisieren, die den PTC-Thermistor erst nach dem Laden des Zwischenkreises überbrückt (Bild 6).

Zur Funktion: Der invertierende Eingang des Komparators wird über die Zenerdiode ZPD3,9 angesteuert. Solange am nicht-invertierenden Eingang eine Spannung <3,9 V anliegt, stellt sich am Ausgang eine Spannung von nahe 0 V ein und T1 sperrt. Erst wenn über den Spannungsteiler R1/R2 an R2 eine Spannung von mehr als 3,9 V anliegt, kippt der Komparator am Ausgang auf positives Potenzial und T1 schaltet das Relais, sodass der PTC-Thermistor überbrückt wird. Der Spannungsteiler R1/R2 sollte so bemessen sein, dass bei etwa 80% der Nenn-Zwischenkreisspannung das Relais schaltet. Da Zwischenkreisspannungen mehrere hundert Volt betragen können, müssen für R1 und R2 hochohmige Typen eingesetzt werden. Ein Beispiel: Bei einer Nennzwischenkreisspannung von 500 VDC wird der Wert von 80% bei 400 VDC erreicht. Hier liegen die Werte für R1 bei 990 kΩ und für R2 bei 10 kΩ. Der Varistor und die Zenerdiode ZPD12 dienen zum Schutz des nichtinvertierenden Eingangs des Komparators vor Überspannungen.

Vorteile kombinieren

Gerade bei leistungsstarken Lasten, die über große Zwischenkreiskapazitäten verfügen wie etwa Industrie-Stromversorgungen und Umrichter, bietet es sich an, die Vorteile und Funktionen von NTC- und PTC-Einschaltstrombegrenzern zu kombinieren.

So ist es sinnvoll, die beschriebene spannungsgesteuerte Einschaltverzögerung auch zur Überbrückung des netzeingangsseitigen NTC-Thermistors zu verwenden. Dazu ist in der Schaltung nach Bild 6 ein Relais mit zwei Umschaltkontakten erforderlich. Bild 7 zeigt nun die komplette Schaltung, bei der NTC- und PTC-Thermistoren gleichzeitig geschaltet werden. Außerdem wurde eine LED integriert, die anzeigt, dass die Überbrückung noch nicht erfolgt ist.

Die Vorteile solcher kombinierten Einschaltstrombegrenzungen sind Schonung von Bauelementen, die Vermeidung von unbeabsichtigtem Auslösen von netzseitigen oder geräteinternen Sicherungen sowie eine sichere Strombegrenzung bei Kurzschlüssen im Zwischenkreis.

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* Christoph Jehle ist Manager Technology & Product Communications bei TDK Electronics in München.

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