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.

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