Beim Einschalten leistungsstarker Verbraucher wie zum Beispiel 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 große 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 Einschaltstrom-Begrenzer.
PTC- und NTC-Thermistoren als Einschalt-Begrenzer
Einschalt-Begrenzer auf Basis von PTC- und NTC-Thermistoren begrenzen die leistungsstarken Lasten, die beim Start von elektronischen Geräten entstehen. Der Artikel beschreibt Kriterien, Spezifikationen und Anwendungsgebiete für PTC- und NTC-Thermistoren.
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 Einschaltstrom-Begrenzer. Dabei kommen NTC- oder PTC-Thermistoren zum Einsatz, die unterschiedliche thermische Charakteristiken und damit Einsatzmöglichkeiten aufweisen. Um alle Vorteile dieser Bauelemente nutzen zu können, bietet es sich an, sie kombiniert einzusetzen.
So funktionieren NTC-Thermistoren als Lastbegrenzer
Eine elegante Lösung zur Begrenzung hoher netzseitiger Einschaltströme ist die Verwendung von 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 geringe Werte, die typabhängig deutlich unter einem Ohm liegen. Entsprechend gering sind dabei auch die Verluste bei Nennstrom. Bild 2 zeigt typische Widerstandsverläufe von verschiedenen NTC-Einschaltstrom-Begrenzern über die Temperatur.
Was ist ein Thermistor?
Ein Thermistor ist ein elektronisches Bauteil, das eine Widerstandsänderung aufgrund von Temperaturänderungen aufweist. Thermistoren werden häufig in Schaltkreisen verwendet, um eine präzise Messung von Temperaturen zu ermöglichen. Hier sind die wichtigsten Informationen, die Sie über Thermistoren wissen sollten:
- Thermistoren sind elektronische Bauteile, die sich aufgrund von Temperaturänderungen in ihrem elektrischen Widerstand ändern.
- Sie werden häufig in elektronischen Schaltkreisen zur Temperaturmessung und -regelung verwendet.
- Es gibt zwei Haupttypen von Thermistoren: positive Temperaturkoeffizienten (PTC) und negative Temperaturkoeffizienten (NTC).
Wie funktioniert ein Thermistor?
Ein Thermistor besteht aus einem Halbleitermaterial, das eine Widerstandsänderung aufgrund von Temperaturänderungen aufweist. Wenn die Temperatur steigt, nimmt der elektrische Widerstand des Thermistors ab. Wenn die Temperatur sinkt, nimmt der Widerstand zu. Hier sind die wichtigsten Informationen, die Sie über die Funktionsweise von Thermistoren wissen sollten:
- Ein Thermistor besteht aus einem Halbleitermaterial, das eine Widerstandsänderung aufgrund von Temperaturänderungen aufweist.
- Wenn die Temperatur steigt, nimmt der Widerstand des Thermistors ab. Wenn die Temperatur sinkt, nimmt der Widerstand zu.
- Die Änderung des Widerstands hängt von der Art des Thermistors ab - PTC oder NTC.
Wie werden Thermistoren hergestellt?
Thermistoren werden aus Materialien hergestellt, die sich durch ihren hohen Temperaturkoeffizienten auszeichnen. Ein häufig verwendetes Material ist beispielsweise Metalloxid, das zu einem feinen Pulver zermahlen wird. Dieses Pulver wird dann zu einer Keramik geformt, die bei hohen Temperaturen gebrannt wird, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Anschließend werden Elektroden aus leitfähigem Material angebracht, um den Thermistor mit dem Stromkreis zu verbinden.
Wie wird ein Thermistor verwendet?
Thermistoren werden häufig in elektronischen Schaltkreisen verwendet, um eine präzise Messung von Temperaturen zu ermöglichen. Sie können auch in Temperatursteuerungen verwendet werden, um eine genaue Temperaturregelung zu gewährleisten. Hier sind die wichtigsten Informationen, die Sie über die Verwendung von Thermistoren wissen sollten:
- Thermistoren werden häufig in elektronischen Schaltkreisen verwendet, um Temperaturen zu messen und zu regeln.
- Thermistoren können auch in Temperatursteuerungen verwendet werden, um eine genaue Temperaturregelung zu gewährleisten.
- Thermistoren müssen oft kalibriert werden, um eine genaue Messung der Temperatur zu gewährleisten.
Wie werden Thermistoren in Schaltkreisen verwendet?
Thermistoren können in Schaltkreisen als Sensoren zur Messung der Temperatur oder als Widerstände zur Steuerung des Stroms eingesetzt werden. Wenn ein Thermistor als Temperatursensor verwendet wird, wird er in einen Stromkreis eingebaut, bei dem der Widerstandswert des Thermistors von der Temperatur abhängig ist. Der Strom, der durch den Thermistor fließt, ändert sich dann entsprechend der Temperaturänderung. Wenn ein Thermistor als Widerstand verwendet wird, wird er in Reihe mit anderen Komponenten wie Widerständen oder Kondensatoren geschaltet. Dadurch kann der Stromfluss durch den Stromkreis gesteuert werden, indem der Widerstand des Thermistors verändert wird.
Wo werden Thermistoren eingesetzt?
Thermistoren werden in vielen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Temperaturmessung erforderlich ist. Einige der häufigsten Anwendungen sind:
- Temperaturüberwachung in der Elektronik: Thermistoren werden in Schaltkreisen, Transformatoren und anderen elektronischen Geräten eingesetzt, um die Temperatur zu messen und Überhitzung zu vermeiden.
- Automobilindustrie: Thermistoren werden in Kühlsystemen, Heizungen und Klimaanlagen von Fahrzeugen eingesetzt, um die Temperatur zu messen und zu regeln.
- Medizinische Geräte: Thermistoren werden in medizinischen Geräten wie Infusionspumpen, Bluttransfusionsgeräten und Dialysegeräten eingesetzt, um die Temperatur zu überwachen.
- Haushaltsgeräte: Thermistoren werden in Haushaltsgeräten wie Kühlschränken, Waschmaschinen und Trocknern eingesetzt, um die Temperatur zu messen und zu regeln.
- Luft- und Raumfahrt: Thermistoren werden in Satelliten und Raumfahrzeugen eingesetzt, um die Temperatur zu überwachen und sicherzustellen, dass die elektronischen Geräte bei extremen Temperaturen funktionieren können.
Welche Vorteile bieten Thermistoren gegenüber anderen Temperatursensoren?
Thermistoren bieten gegenüber anderen Temperatursensoren wie RTDs (Resistance Temperature Detectors) oder Thermoelementen mehrere Vorteile. Zum einen haben sie eine schnelle Ansprechzeit und können schnell auf Temperaturänderungen reagieren. Zum anderen sind sie sehr genau und können eine höhere Genauigkeit als andere Sensoren bieten. Darüber hinaus sind Thermistoren im Vergleich zu anderen Sensoren kostengünstiger und können in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden.
Welche Einschränkungen gibt es bei der Verwendung von Thermistoren?
Obwohl Thermistoren viele Vorteile bieten, gibt es auch Einschränkungen bei ihrer Verwendung. Zum einen können sie bei hohen Temperaturen beschädigt werden, was ihre Verwendung in Anwendungen einschränken kann, bei denen hohe Temperaturen auftreten. Zum anderen können Thermistoren aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen störanfällig sein und möglicherweise unerwünschte Messergebnisse liefern. Darüber hinaus müssen Thermistoren oft kalibriert werden, um eine genaue Messung zu gewährleisten.
Auswahlkriterien für NTC-Einschaltstrom-Begrenzer
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 sein, 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 Schädigung von lastinternen Bauelementen wie Gleichrichtern erfolgt.
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 hierfür zeigt Bild 4.
Beim Einsatz der Einschaltstrom-Begrenzer ist zu beachten, dass sie abhängig vom Typ eine Abkühlzeit von 90 s aufweisen. In einigen Anwendungen kommt es aber vor, dass das System die Lasten in kurzen Intervallen ein- und ausschalten muss, was 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. Sie kann bereits wenige Sekunden nach dem Einschalten erfolgen, da die meisten Lasten dann bereits mit dem Nennstrom versorgt sind. Durch das Überbrücken erfolgt keine Erwärmung des NTC-Thermistors. Bild 5 zeigt eine zeitgesteuerte Überbrückungsschaltung für Einschaltstrom-Begrenzer.
Die Ansprechzeit der Überbrückungsschaltung lässt sich durch die Zeitkonstante aus R1 und C1 sowie dem Wert der Zener-Diode bestimmen. In der Beispielschaltung spricht das Relais nach etwa 3 bis 4 s 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 Aufladung 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.
Themenreihe: Hidden Champions der Elektronik
In unserer Themenreihe Hidden Champions der Elektronik widmen wir uns den Komponenten, die selten im Rampenlicht stehen. Denn die Stars einer Platine können ohne die Hidden Champions an der Peripherie nicht funktionieren. Passive Bauelemente, Kühlkörper, Kabel, Stecker, einfachere Logik-ICs etc. werden immer wieder gern übersehen oder gelten als „langweilig“, sind aber essenziell wichtig. Genau um solche Hidden Champions geht es hier.
- Teil 1: Metallische Dünnschichtwiderstände
- Teil 2: RTC-Module
- Teil 3: PhotoMOS-Relais
- Teil 4: Gedrehte Kontaktbuchsen
- Teil 5: Stromkompensierte Drosseln
- Teil 6: Strangkühlkörper
- Teil 7: Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren
- Teil 8: Oberflächenmontierbare TVS-Dioden
- Teil 9: Zwischenkreis-Kondensatoren
- Teil 10: Optokoppler zur Stromkreistrennung
- Teil 11: Dickschicht-Shunt-Widerstände
- Teil 12: Mini-Absolutdrucksensoren
- Teil 13: Käfigzugfeder-Rundsteckverbinder
- Teil 14: Snap-In-Superkondensatoren
- Teil 15: Synchrone DC/DC-Abwärtswandler
- Teil 16: FCCs und Stecker für den Weltraum
- Teil 17: Zementbeschichtete Widerstände
Sichere Kondensatorladung durch PTC-Thermistoren
Hochkapazitive Kondensatoren und Kondensatorbänke in Gleichstrom-Zwischenkreisen stellen im Einschaltmoment einen Kurzschluss dar. Um hier eine sichere Strombegrenzung zu erzielen, sollten Systementwickler PTC-Thermistoren statt Festwiderständen verbauen. Durch hohen Stromfluss erwärmen sich diese Bauelemente und werden – im Gegensatz zu NTC-Thermistoren – hochohmig und somit eigensicher. Dieses Verhalten begrenzt den Strom bei einem Kurzschluss im Zwischenkreis auf unbedenkliche Werte, was Festwiderstände nicht bewerkstelligen können, da sie den Strom nicht reduzieren. Bild 6 zeigt den Gleichstrom-Zwischenkreis eines Dreiphasensystems mit PTC-Thermistor, der zum Beispiel in Frequenzumrichtern zum Einsatz kommt.
TDK bietet für Zwischenkreise eine Reihe spezieller PTC-Thermistoren, die für Spannungen von 260 bis 560 VDC ausgelegt sind, Widerstände von 22 bis 1100 Ω bei 25 °C bieten und typenabhängig über Zulassungen nach UL, IECQ und VDE verfügen sowie nach AEC-Q200 qualifiziert sind.
Besonders bei größeren Kondensatorbänken gilt es, die maximale Wärmekapazität und maximal zulässige Temperatur der PTC-Thermistoren nicht zu überschreiten. Durch Parallelschaltung lassen sich die erforderlichen Wärmekapazitäten erzielen. Berechnet wird die erforderliche Mindestanzahl der Bauelemente wie folgt:
Dabei ist:
n = Anzahl der benötigten PTC-Elemente
k = Faktor abhängig von der Spannungsversorgung (k = 1 bei DC; k = 0,96 bei Dreiphasengleichrichtung; k = 0,76 bei Einphasengleichrichtung)
C = Kapazität des Zwischenkreiskondensators in F
V = Maximale Ladespannung des Kondensators in V
Cth = Wärmekapazität des PTC-Thermistors
TRef = Referenztemperatur der verwendeten PTC-Thermistoren
TAmax = Maximale Umgebungstemperatur
Im Normalbetrieb überbrücken mehrere dieser Einschaltstrom-Begrenzer den PTC-Thermistor beziehungsweise die Parallelschaltung nach der Ladung der Zwischenkreiskondensatoren, um keine Leistungsverluste zu erzeugen. Diese Überbrückung darf allerdings nicht erfolgen, wenn im Zwischenkreis ein Kurzschluss vorliegt etwa durch beschädigte Kondensatoren. Der aussagekräftige Parameter für eine Überbrückungsschaltung ist somit die Zwischenkreisspannung. Erreicht sie nach der Ladung 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 der Ladung des Zwischenkreises überbrückt (Bild 7).
Was ist der Unterschied zwischen NTC- und PTC-Thermistoren?
NTC- (Negative Temperature Coefficient) und PTC- (Positive Temperature Coefficient) Thermistoren unterscheiden sich in ihrer Temperaturabhängigkeit. Ein NTC-Thermistor hat einen niedrigeren Widerstand bei höheren Temperaturen, während ein PTC-Thermistor einen höheren Widerstand bei höheren Temperaturen aufweist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, wie sie in Schaltkreisen verwendet werden. NTC-Thermistoren werden häufig als Temperatursensoren eingesetzt, da ihr Widerstand proportional zur Temperaturänderung ist. PTC-Thermistoren werden hingegen häufig als Überlastschutz oder in Strombegrenzungsschaltungen eingesetzt, da ihr Widerstand bei steigender Temperatur ansteigt und somit den Stromfluss reduziert.
Zur Funktion: Die Zener-Diode ZPD3,9 steuert den invertierenden Eingang des Komparators an. Solange am nichtinvertierenden Eingang eine Spannung kleiner 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 Potential und T1 schaltet das Relais, wodurch der PTC-Thermistor überbrückt wird. Der Spannungsteiler R1/R2 sollte so bemessen sein, dass bei etwa 80 Prozent der Nenn-Zwischenkreisspannung das Relais schaltet. Da Zwischenkreisspannungen mehrere hundert Volt betragen können, müssen Entwickler für R1 und R2 hochohmige Typen einsetzen. Ein Beispiel: Bei einer Nennzwischenkreisspannung von 500 VDC wird der Wert von 80 Prozent bei 400 VDC erreicht. Hier liegen die Werte für R1 bei 990 kΩ und für R2 bei 10 kΩ. Der Varistor und die Zener-Diode 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-Einschaltstrom-Begrenzern 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 7 ein Relais mit zwei Umschaltkontakten erforderlich. Bild 8 zeigt nun die komplette Schaltung, bei der NTC- und PTC-Thermistoren gleichzeitig geschaltet werden. Außerdem ist 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.
Christoph Jehle
(prm)