Bild 1: Oftmals müssen Begrenzungen sein.

Bild 1: Oftmals müssen Begrenzungen sein. fotolia

Einfluss des externen Stromnetzes auf den Eingangsbereich von Schaltnetzteilen

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Einfluss des externen Stromnetzes auf den Eingangsbereich von Schaltnetzteilen – eine Problematik, die für alle Schaltnetzteile gleich ist. Der Eingangsbereich besteht aus einem EMV-Filter, dem Gleichrichter und einem Eingangskondensator, welcher beim Einschalten des Netzteils den größten Einfluss auf den Einschaltstrom hat.

Um gegebenenfalls die Funktionen zu erweitern beziehungsweise zu verbessern, lassen sich noch weitere Blöcke ergänzen. Dazu zählen Leistungsfaktorkorrektur (PFC), Überstrom-, Überspannungs- oder Temperaturschutz, Stromaufteilung, Fernsteuerung, Optionen zum Dimmen oder andere technische Funktionen.

Unter Einschaltstrom versteht man den größten, unmittelbaren elektrischen Strom, der bei dem Einschalten des Netzteils anfällt. Der Einschaltstrom ist abhängig von der Netz-Eingangsspannung, dem Blindwiderstand der Versorgungsleitung, des internen induktiven Blindwiderstandes und der Kapazität sowie dem ESR des Eingangskondensators im Netzteil.

Bild 2: Der Einschaltstromverlauf ist in der roten Linie im Diagramm des Eingangsbereiches dargestellt.

Bild 2: Der Einschaltstromverlauf ist in der roten Linie im Diagramm des Eingangsbereiches dargestellt. M+R Multitronik

Der Wert des Eingangskondensators des Schaltnetzteils hat den größten Einfluss auf die Höhe des Einschaltstroms in Abhängigkeit auf unterschiedliche Eingangsspannungswerte. Eine hohe Kapazität des Eingangskondensators und eine hohe Eingangsspannung erzeugen einen hohen Einschaltstrom.

Die extremen Einschaltstromspitzen entstehen durch die hohen Kapazitäten der Kondensatoren im Eingang des Netzteils. Der Einschaltstromverlauf ist in der roten Linie im Diagramm des Eingangsbereiches dargestellt (Bild 2). Vor dem Einschalten ist der Eingangskondensator in der Regel leer und im Einschaltmoment verursacht die hohe Leistungsaufnahme des schnell ladenden Kondensators einen hohen Einschaltstrom. Im Oszilloskop sieht man den Einschaltstrom als schnell abnehmende Amplitude, die beim ersten Impuls ihre höchste Energie hat (Bild 4).

Auf einen Blick

Dass Leitungsschutzschalter ihrer Aufgabe beim Anlaufstrom nachkommen, ist gewollt, aber in anderer Hinsicht problematisch. Trotz der bekannten Methoden via NTC und Bypass-Relais bleibt der Einschaltstom oft dennoch ziemlich hoch. Oft ist es auch mit dem Austausch der Sicherung in der Stromverteilung nicht getan – externe Einschaltstrombeschränker, die zudem kostengünstig sind, kommen hier ins Spiel. Es lassen sich damit mehr Netzteile pro Leitungsschutzschalter betreiben.

Der Einschaltstrom wird als Maximalwert gemessen. Die Darstellung in den Diagrammen 3 und 4 zeigt den Worst Case (schlimmster Fall).  Dieser tritt ein, wenn sich die Sinuswelle der Eingangsspannung beim Einschalten des Netzteils im Maximum befindet und zudem der Kondensator komplett entladen ist.

Messung des Einschaltstroms mittels Oszilloskop

Um den Einschaltstrom zu messen, benötigt man ein Oszilloskop mit zwei Kanälen sowie einen Messfühler für die Eingangsspannung und einen für den Einschaltstrom, eine programmierbare Wechselspannung und natürlich ein Schaltnetzteil. Die Eingangswechselspannung muss so programmiert sein, dass beim Einschalten die Sinuswelle mit 90 Grad ihren höchsten Punkt erreicht.

Der Trigger des Oszilloskops muss auf Single gestellt sein. Auf den Messbildern am Oszilloskop kann man jetzt die Stromspitze (Imax) auf der höchsten Amplitude messen. Ebenfalls kann man die Zeit T50 ablesen, die sich aus der Differenz zwischen dem Einschaltzeitpunkt und dem Zeitpunkt definiert, an dem die Amplitude Imax / 2 erreicht hat (Bild 4).

Bild 3: Die Darstellung von Eingangsstrom und Eingangsspannung in dem Diagramm zeigt den „Worst Case“ auf.

Bild 3: Die Darstellung von Eingangsstrom und Eingangsspannung in dem Diagramm zeigt den „Worst Case“ auf. M+R Multitronik

Die Energie der ersten Amplitude entspricht annähernd dem Feld des Rechteckes, das durch Imax / 2 und T50 aufgespannt wird. Mit dem Energiewert lässt sich die maximale Anzahl an Schaltnetzteilen ermitteln, die der Entwickler an einen Leitungsschutzschalter anschließen kann, ohne dass dieser durch den Einschaltstrom auslöst.

Der Einschaltstrom kann durch verschiedene Designmethoden im Netzteil direkt Begrenzung finden. Diese Möglichkeit eröffnet sich speziell im niedrigen Leistungsbereich. Die häufigsten Methoden sind:

Passiv: 

  • NTC (Thermistoren mit negativen Temperaturkoeffizienten auch bekannt als Anstiegsbegrenzer)
  • Ein Bypass-Relais in Kombination mit einem NTC oder Widerstand

Aktiv:

  • Zero Cross Detection in Kombination mit einer MOSFET-Strombegrenzung
  • Zero Cross Detection und gepulste Ladung des Kondensators
Bild 4: Auf den Messbildern läßt sich die Stromspitze auf der höchsten Amplitude messen sowie die Zeit ablesen, die sich aus der Differenz zwischen dem Einschaltzeitpunkt und dem Zeitpunkt, an dem die Amplitude Imax / 2 erreicht hat, ergibt.

Bild 4: Auf den Messbildern läßt sich die Stromspitze auf der höchsten Amplitude messen sowie die Zeit ablesen, die sich aus der Differenz zwischen dem Einschaltzeitpunkt und dem Zeitpunkt, an dem die Amplitude Imax / 2 erreicht hat, ergibt. M+R Multitronik

Speziell die einfachen Methoden NTC und Bypass-Relais wenden Entwickler häufig an. Das Ergebnis ist in der Regel dennoch ein hoher Einschaltstrom der Netzteile.

Der typische Wert des Einschaltstroms für Schaltnetzteile mit einer Leistung von maximal 500 W liegt zwischen 10 und 70 A, aber es gibt auch Schaltnetzteile mit wesentlich höheren Werten. Die Zeit, in der die maximale Energie anliegt (T50) liegt in dem Bereich von wenigen Millisekunden bis zu hunderten Millisekunden.

Um ein leistungsfähiges Produkt zu entwickeln und die Bauteile des Netzteils richtig zu dimensionieren, sind die oben beschriebenen Effekte von Einschaltströmen für die Entwickler von Schaltnetzteilen sehr wichtig.

Netzteile an Leitungsschutzschalter

Für den Elektriker oder Entwicklungsingenieur, der das Schaltnetzteil in seine Applikation einbaut, sind die signifikanten Parameter des Einschaltstroms hauptsächlich Imax und T50. Mit den vorliegenden Werten von Imax und T50 läßt sich die Anzahl an Schaltnetzteilen berechnen, die maximal an einem Leitungsschutzschalter anliegen darf.

Die Formel dafür ist:

Anzahl der Netzteile = (In • M • k) / (Imax)

Dabei ist: In =  Nominalstrom der Sicherung. Zum Beispiel bei einer Sicherung B16 ist der In= 16 A. M = Multiplikationsfaktor in Abhängigkeit der Schaltcharakteristik der Sicherungsklasse  (für B-Klasse ist es der Faktor 3, für C-Klassen 5 und für D-Klassen 10).

In der Realität haben diese Werte natürlich eine gewisse Bandbreite, um aber auf der sicheren Seite zu bleiben, ist hier für die Berechnung der niedrigste Wert ausgewählt. Für die Sicherung B16 in dem Beispiel beträgt der M-Faktor also 3. k = bekannt als Sicherheitsfaktor, der in Abhängigkeit des Schaltverhaltens der Sicherung und des Einschaltstromimpulses von den Herstellern der Sicherungen und Leitungsschutzschalter angegeben ist. Dieser Faktor ist in den Datenblättern des Sicherungsherstellers enthalten. Für das Beispiel nahmen die Entwickler einen Einschaltstromimpuls von 600 μs und einen sich daraus ergebenden k-Faktor von 4,2 an.

Der Imax läßt sich messen, wie oben ausführlich erläutert. In der Regel ist der Wert auch dem Datenblatt des Herstellers des Schaltnetzteils zu entnehmen. Für das Beispiel gilt der Wert Imax = 30 A.

Mit den genannten Beispielwerten ergibt sich folgende Rechnung:

Anzahl der Netzteile = (16 • 3 • 4,2) / 30 = 6,72

Das bedeutet, dass man maximal sechs Schaltnetzteile mit einem Einschaltstrom von Imax = 30 A und einer Impulsdauer von 600 μs an eine Sicherung der Klasse B16 anschließen darf, um ein Auslösen der Sicherung beim Einschalten der Netzteile zu verhindern.

Bild 5: Die Einschaltstrombegrenzer ESB101 oder ESB201 von Camtec.

Bild 5: Die Einschaltstrombegrenzer ESB101 oder ESB201 von Camtec. M+R Multitronik

Eine Möglichkeit die Anzahl der Schaltnetzteile zu erhöhen, besteht unter anderem in der Auswahl einer anderen Sicherungsklasse (beispielsweise Klasse C oder D). Das geht aber nur, wenn der Gesamtplan der Stromverteilung dieses auch zulässt. Einfacher ist es hingegen, speziell bei bestehenden Stromverteilungen, einen externen Einschaltstrombegrenzer zu installieren.

Vielfältige Einsatzgebiete und Vorteile

Gerade im Bereich des stark wachsenden LED-Marktes eröffnet sich hier ein riesiges Anwendungsfeld. Jede LED-Leuchte benötigt einen LED-Treiber, der nichts anderes ist als ein Schaltnetzteil. Mehrere LED-Leuchten in einem Raum verursachen einen höheren Einschaltstrom als bei einer konventionellen Beleuchtung. In so einem Fall stößt der Elektroinstallateur schnell an Grenzen, die mit der einfachen Methode (die Sicherungsklasse der Sicherung in der Stromverteilung zu ändern), nicht mehr zu bewältigen sind.

Bild 6: Diagramm einer Installation mit Einschaltstrombegrenzer.

Bild 6: Diagramm einer Installation mit Einschaltstrombegrenzer. M+R Multitronik

Hier empfiehlt M+R Multitronik die Verwendung eines externen Einschaltstrombegrenzers, zum Beispiel Camtec. Beim Verwenden des Camtec ESB101- oder ESB201-Einschaltstrombegrenzers ist die Anzahl der Schaltnetzteile an einer Sicherung nicht mehr durch den Einschaltstrom begrenzt, sondern nur durch den RMS (Root Mean Square, Effektivwert) des Eingangsstroms und dem Wert des internen Kondensators des Schaltnetzteils.

Als Faustregel kann man sagen, dass sich die Anzahl der Netzteile an einer Sicherung bei Verwendung eines Einschaltstrombegrenzers mindestens verdoppeln. In der Praxis ist aber auch eine Verdreifachung der Schaltnetzteile oder mehr durchaus möglich.

Bild 7: Die Tabelle zeigt die maximal mögliche Anzahl von Schaltnetzteilen (am Beispiele eines LED-Treibers) an einer B16-Sicherung ohne Einschaltstrombegrenzer gegenüber der maximalen Anzahl von Schaltnetzteilen bei Verwendung eines Einschaltstrombegrenz

Bild 7: Die Tabelle zeigt die maximal mögliche Anzahl von Schaltnetzteilen (am Beispiele eines LED-Treibers) an einer B16-Sicherung ohne Einschaltstrombegrenzer gegenüber der maximalen Anzahl von Schaltnetzteilen bei Verwendung eines Einschaltstrombegrenz M+R Multitronik

Die Übersichtstabelle (Bild 7) verdeutlicht die maximal mögliche Anzahl von Schaltnetzteilen (in dem Beispiel LED-Treiber von Mean Well, Vertrieb durch M+R Multitronik) an einer B16-Sicherung ohne Einschaltstrombegrenzer gegenüber der maximalen Anzahl von Schaltnetzteilen bei Verwendung eines Einschaltstrombegrenzers ESB101-LED, 230 VAC von Camtec.

Der elektronische Einschaltstrombegrenzer ESB101 beziehungsweise ESB201 ist eine Variante zur effektiven Kostenersparnis in der LED-Beleuchtungstechnik. Er begrenzt Einschaltströme präzise und wiederholgenau. Durch diese strikte Begrenzung lassen sich deutlich mehr LED-Netzteile je Leitungsschutzschalter betreiben. Es wird in jedem Fall verhindert, dass der Leitungsschutzschalter auslöst. Eine geringere Amperezahl ermöglicht ferner geringere Leitungsquerschnitte.

Bezieht der Entwickler den ESB101 beziehungsweise den ESB201 von vornherein in die Lichtplanung mit ein, dann kann er die Installationskosten der gesamten LED-Beleuchtung bis zu 70 Prozent gegenüber einer konventionellen Installation reduzieren. Die Kostenersparnis für die LED-Beleuchtung mit dem Einschaltstrombegrenzer wird durch die deutliche Reduzierung des Materialbedarfs für Leitungsschutzschalter und Leitungen, sowie nicht zuletzt durch einen wesentlich niedrigeren Installationsaufwand erreicht.

Neben Einschaltstrombegrenzer hat M+R Multitronik ebenfalls eine eigene Serie an LED-Netzteilen mit DALI-Dimm-Option sowie elektronische Starter für Leuchtstoffröhren im Produktportfolio.

 

 

M+R Multitronik

M+R Multitronik wurde im Jahr 1981 gegründet und ist seit über 20 Jahren autorisierter Mean Well Distributor für industrielle und medizinische Netzteile. Neben einer eigenen Serie an LED-Netzteilen mit DALI-Dimm-Option und Einschaltstrombegrenzern von Camtec gehören unter anderem auch ein weites Spektrum an DC/DC-Wandlern 0,2 bis 150 W, piezokeramische Signalgeber und Lautsprecher von Sonitron sowie elektronische Starter für Leuchtstoffröhren zum Produktportfolio.