Elektrische Störgrößen (Teil 1) Auswirkungen dynamischer Vorgänge auf Netzteile

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Wie zuverlässig ein Netzteil wirklich ist, zeigt nicht das Datenblatt, sondern der reale Betrieb unter wechselnden Bedingungen. Dieser mehrteilige Artikel beleuchtet, warum dynamische Effekte bei der Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Die Funktionsfähigkeit jedes elektronischen Systems hängt maßgeblich von der Zuverlässigkeit der Stromversorgung ab. In der Entwicklung von Netzteilen werden jedoch oft lediglich stationäre Kenngrößen wie Nennleistung oder Wirkungsgrad betrachtet. Feldrückläufe zeigen indessen, dass das nicht ausreicht. Für wirklich zuverlässige Netzteile müssen auch dynamische Einflüsse wie Transienten sowie thermische und mechanische Belastungen einbezogen werden. Der Artikel untersucht, wie sich veränderliche äußere Bedingungen auf elektrischer Ebene auswirken und welche konstruktiven Maßnahmen die Zuverlässigkeit sichern. Der hier vorliegende erste Teil diskutiert die elektrische Dimension: Transienten, Schalt- und Einschwingvorgänge, Laständerungen, Energierückflüsse aus der Last, hochfrequente Störungen etc.

Erwartungshaltung und Realität dynamischer Systeme

Aus Anwendersicht soll ein Gleichspannungsnetzteil eine oder mehrere definierte Ausgangsspannungen oder -ströme bereitstellen. Diese Erwartung ist allerdings unvollständig, weil sie implizit stationäre Randbedingungen unterstellt. Reale Systeme sind jedoch dynamisch: Netzspannungen werden zugeschaltet, unterbrochen oder in ihrem Pegel verändert; Lasten ändern sich sprunghaft, sie besitzen kapazitive und induktive Anteile und können Energie zurückspeisen. Daraus folgt, dass ein Netzteil nicht nur „im Datenblattpunkt“, sondern in einem Zustandsraum stabil funktionieren muss. Die Qualität der Spezifikation entscheidet hierbei über Kosten, Baugröße, Zuverlässigkeit und letztlich über die Systemverfügbarkeit.

Wichtig ist es, die Zuschaltung der Versorgungsspannung nicht als Sonderfall zu betrachten, sondern als normalen, bestimmungsgemäßen Betriebszustand. Gerade weil dieser regelmäßig auftritt, muss er mit derselben Sorgfalt betrachtet werden wie der Dauerbetrieb. Gleiches gilt für das Abschalten, insbesondere wenn zeitliche Anforderungen (Power-Good, Datenhaltung, kontrolliertes Shutdown) im System existieren.

Äußere Beeinflussungen: Energieimpulse und Kopplungsmechanismen

Leitungsgekoppelte elektrische Störungen lassen sich in symmetrische (Differential Mode) und asymmetrische (Common Mode) Anteile einteilen. Asymmetrische Störungen führen häufig zu höheren Störpegeln, größeren Feldkopplungen und kritischen Potentialverschiebungen gegenüber Schutzleiter oder Gehäuse. In vielen Anwendungen sind asymmetrische Ereignisse die dominanten Treiber für Fehlfunktionen oder für die Beanspruchung von Isolationsstrecken.

Surge-Impulse sind energiereiche Überspannungsereignisse, die etwa durch Blitzinduktion, Schalthandlungen oder das Abschalten großer induktiver Verbraucher entstehen können. Normativ werden Surge-Impulse in der IEC 61000-4-5 durch definierte Impulsformen beschrieben. Entscheidend für das Schadenspotenzial ist die Kombination aus Spitzenspannung, Quellimpedanz und Energieinhalt. Ohne geeignete Begrenzungselemente und geeignete Isolation kann ein einzelner Impuls Bauteile dauerhaft schädigen oder zerstören. Darüber hinaus können Luft- oder Oberflächenüberschläge auftreten, die zu Kriechstrompfaden und Folgeschäden führen.

Ein wirksames Schutzkonzept ist mehrstufig zu denken. Erstens muss die ankommende Überspannung begrenzt werden (Clamping). Zweitens muss die Energie so verteilt bzw. abgeleitet werden, dass keine lokalen Überlastungen entstehen. Drittens ist sicherzustellen, dass Schutzkomponenten nicht zu Single-Point-of-Failure werden.

Typische Begrenzungselemente sind Varistoren. Sie reduzieren eine Surge-Überspannung beispielsweise von 2 kV auf ca. 800 – 1.000 V. Für die Systemauslegung ist der Zusammenhang zwischen Varistor-Kennlinie und nachfolgender Spannungsfestigkeit zentral: Je niedriger die zulässige Spannung nachfolgender Stufen (Gleichrichter, Zwischenkreis, PFC-Stufe, Primärschalter), desto „härter“ muss begrenzt werden.

Ein Punkt, der in der Praxis regelmäßig unterschätzt wird, ist die Koordination von Varistor und Geräteschutzsicherung. Die Sicherung ist so auszulegen, dass sie den Energieinhalt eines normativen Surge-Impulses übersteht und bei einem Surge-Ereignis nicht auslöst. Eine Auslösung im Impulsfall würde den Leitungspfad trennen. Zudem erzeugt ein ungewollter Ausfall des Netzteils systemseitig Folgerisiken (z. B. Neustartsequenzen, Datenverlust, Sicherheitsfunktionen). Gleichzeitig muss die Sicherung im Fehlerfall zuverlässig und schnell trennen. Daraus ergibt sich eine klassische Koordinationsaufgabe: Surge-Überlebensfähigkeit ohne „nuisance trips“, aber sichere Trennung bei Dauerschaden. Praktisch wird dies über Impulsfestigkeit der Sicherung, I²t-Betrachtung, thermische Randbedingungen sowie die End-of-Life-Charakteristik des Varistors gelöst.

Neben Varistoren kommen Gasableiter (GDT) in Betracht, insbesondere bei hohen Energieinhalten und wenn im Normalbetrieb ein sehr niedriger Leckstrom gefordert ist. Gasableiter besitzen jedoch Zündverzögerungen und benötigen häufig eine Koordination mit nachgeschalteten Begrenzungselementen. Kombinierte Konzepte (GDT + MOV + Serienimpedanz) sind in rauen Umgebungen üblich.

Passiver Schutz kann zusätzlich durch eine stromkompensierte Drossel und den Zwischenkreiskondensator realisiert werden. Hier wirkt die Drossel mit ihrem Innenwiderstand (und ihrer Impedanz) zusammen mit der Kapazität des Zwischenkreises als Dämpfungsglied. Für eine wirksame Dämpfung muss die Zeitkonstante deutlich größer sein als die charakteristische Zeit des Impulses. Dieser Ansatz ist jedoch nur für Kleinleistungsnetzteile umsetzbar.

Varistoralterung als Zuverlässigkeitsproblem

Schutzbauteile altern. Bei Varistoren führt jede impulsförmige Energieeinwirkung zu lokalem Aufheizen und zu mikroskopischen Strukturänderungen. Über die Lebensdauer kann sich die Kennlinie verschieben. In Multistress-Szenarien (hohe Temperatur + wiederholte Impulse) beschleunigt sich dieser Prozess. Solche kumulativen Schädigungen sollten in der Spezifikation implizit berücksichtigt werden. Für die Praxis bedeutet das: Sicherheitsreserven, Derating, geeignete Wärmeabfuhr und vor allem eine Festlegung der Überspannungskategorie (OVC) und der zugehörigen Prüfpegel.

Burst-Impulse: Impulspakete mit hoher Störwirkung

Burst-Impulse nach IEC 61000-4-4 sind energieärmer als Surge, können jedoch durch ihre hohe Wiederholrate und schnelle Flanken funktionelle Störungen auslösen. Typisch sind Impulspakete (Burst-Trains), die über kapazitive und induktive Kopplungen in Schaltungsteile einkoppeln. Die Konsequenz ist zweigeteilt: Erstens kann das Netzteil selbst gestört werden (Regelkreisinstabilität, Fehltriggern von Schutzfunktionen). Zweitens können Störungen in das nachgeschaltete System weitergegeben werden, etwa über parasitäre Kapazitäten zwischen Primär und Sekundär, über Ableitkapazitäten von Filtern und über gemeinsame Masseführungen. Deshalb ist ein gutes Layout ohne Koppelschleifen zentral. Burst muss systemisch betrachtet werden: das Netzteil ist Teil einer Kopplungskette.

Dynamik: Zuschaltung, Hochlauf, Unterbrechung und Abschalten

Beim Anlegen der Eingangsspannung tritt zunächst eine Startverzögerung auf, bis interne Hilfsspannungen aufgebaut, Steuerungen initialisiert und Regelkreise freigegeben sind. Typische Größenordnungen liegen zwischen 200 ms und 2 s, abhängig von Topologie, Leistungsbereich, PFC und Schutzstrategien. Der eigentliche Ramp-Up der Ausgangsspannung erfolgt danach last- und kapazitätsabhängig. In vielen Designs wird ein kontrollierter Hochlauf (Softstart) implementiert, um Einschaltüberschwinger, Inrush am Ausgang und Lastinteraktionen zu reduzieren.

Überschwinger im Hochlauf sind ein Zusammenspiel aus Regelkreisbandbreite, Kompensationsnetzwerk, Ausgangsfilter und Last. Ein „Kriechfall“ (very slow ramp) kann Überschwinger praktisch eliminieren, ist aber nicht immer zulässig, wenn die Anwendung schnelle Verfügbarkeit fordert. Als praxisgerechter Richtwert gilt häufig: Überschwinger < 5 % von Uout. Bei 12 V entspricht das 0,6 V. Es ist zu beachten, dass nicht nur der Maximalwert zählt, sondern auch die Dauer und die Energie im Überschwinger.

Die Netzausfallüberbrückung ist das Zeitfenster, in dem die Ausgangsspannung nach Ausfall der Eingangsspannung noch innerhalb der Spezifikation bleibt. Sie wird primär durch den Energieinhalt des Zwischenkreises bestimmt. Typische Werte reichen von 1 ms bis 100 ms; in vielen AC-Netzteilen sind ≥ 20 ms unter Volllast über den gesamten Eingangsspannungsbereich ein verbreiteter Zielwert. Bei Teillast können deutlich größere Werte auftreten. Der Herunterlauf (Decay) der Ausgangsspannung nach Beginn des Abfalls ist stark lastabhängig: bei sehr geringer Last kann die Entladung der Ausgangskapazitäten Sekunden dauern. Dieser Punkt wird in Spezifikationen häufig nicht definiert, obwohl er für Systemzustände (Reset, Speicherhaltung, Brownout-Detektion) kritisch sein kann.

Praxisrelevant sind kurze Unterbrechungen der Eingangsspannung. Bis etwa 20 ms werden sie im Volllastfall häufig ohne Ausgangsauswirkung überbrückt; bei Teillast kann die tolerierbare Unterbrechungszeit größer sein. Überschreitet die Unterbrechung die Überbrückungsfähigkeit, erfolgt ein Abschalten und ein Neustart. Absenkungen oder Überhöhungen der Eingangsspannung verändern die Zwischenkreisspannung und wirken damit auf Regelreserve, Ripple und transienten Ausgang.

Beim Einschalten lädt sich der Zwischenkreiskondensator auf. Je niedriger der Innenwiderstand des Eingangsfilters und je höher die Anstiegsrate der Eingangsspannung, desto höher der Einschaltstromstoß. Heißleiter (NTC) begrenzen den Inrush nur bedingt: im warmen Zustand sinkt ihr Widerstand, sodass nach kurzer Netzunterbrechung die Begrenzung weitgehend entfällt.

Wissenschaftlich lässt sich dies als Summation impulsförmiger Ströme mit hoher Gleichzeitigkeit interpretieren; systemseitig ist daher entweder eine aktive Inrush-Begrenzung, Sequencing oder eine abgestimmte Absicherung erforderlich.

In vielen Anwendungen ist es gewünscht, sekundärseitig einzelne Ausgänge zu schalten, etwa bei Netzteilen mit mehreren Ausgangsspannungen. Wird ein elektronischer Schalter eingesetzt, können hohe Stromimpulse entstehen, wenn kundenseitige Kapazitäten abrupt zugeschaltet werden. Die Last ist dabei oft nicht bekannt; Worst-Case-Kapazitäten und Einschaltprofile müssen daher spezifiziert werden. Ein zweites Risiko besteht im Linearbetrieb des Schalters während des Übergangs (insbesondere bei Kurzschluss- oder Fault-Bedingungen), wodurch hohe Verlustleistung im Schalter entstehen kann. Daher muss eine Hilfsspannung verfügbar sein, die auch dann existiert, wenn das Hauptnetzteil noch nicht eingeschaltet ist. Nur so können definierte, sichere Zustände garantiert und unsichere Zwischenzustände vermieden werden.

Lastverhalten: Mischlasten, Peak-Lasten und nichtlineare Interaktionen

Die Last ist als Systemkomponente zu betrachten. In der Praxis treten kapazitive Eingänge, induktive Verbraucher und dynamisch geregelte Lasten in Kombination auf. Daraus resultiert eine nichtlineare Rückwirkung auf das Netzteil.

Peak-Lasten entstehen z. B. beim Laden von Kapazitäten, beim Motoranlauf oder durch Sicherungsanlaufcharakteristiken. Für eine valide Auslegung sind zwei Größen zwingend zu definieren: die Höhe des Spitzenstroms und die zulässige Dauer. Ohne diese Definition arbeitet das Netzteil entweder zu konservativ (unnötig groß, teuer) oder zu knapp (Abschaltungen, Instabilität).

DC/DC-Wandler als Last: Konstantleistungseffekt und „doppelter Strom“

Besonders kritisch sind nachgeschaltete DC/DC-Wandler. Viele dieser Wandler beginnen ihren Betrieb bereits während des Hochlaufs von Uout und ziehen dabei teilweise bereits die volle Leistung. Das kann die Strombegrenzung des Netzteils auslösen. Die Abschaltschwelle des Netzteils und die Reglerdynamik werden dadurch zum limitierenden Faktor. Ein typisches Fehlerbild ist: Der DC/DC-Wandler versucht zu starten, Uout bricht ein, I steigt weiter an, das Netzteil schaltet ab, startet erneut, und der Zyklus wiederholt sich (Hiccup oder Restart-Lock). Die praktische Lösung ist eine verzögerte Zuschaltung des DC/DC-Wandlers, erst nachdem Uout den Nennwert stabil erreicht hat.

Rückspeisung (Regeneration) durch motorische Bremsung

Bei motorischer Bremsung wird mechanische Energie in elektrische Energie zurückgespeist. Diese Energie lädt die Ausgangskondensatoren des Netzteils über die Nennspannung hinaus. Das Netzteil erkennt eine Überspannung, regelt zurück und kann bei Überspannungsdetektion abschalten. Hier ist eine saubere Systemdefinition erforderlich: Wie viel Rückspeiseenergie ist möglich? Welche Überspannung ist zulässig? Bewährte Lösungen sind Entkopplung durch Dioden oder aktive MOSFET-Entkopplung sowie Brems-Chopper, die überschüssige Energie in Wärme umsetzen.

Schlussfolgerungen und Handlungsempfehlungen

• Stationäre Kennwerte sind notwendig, aber nicht hinreichend. Dynamische und transiente Vorgänge müssen explizit spezifiziert werden.

• Surge- und Burst-Resilienz erfordert systemische Konzepte: Begrenzung, Ableitung, Energieverteilung, Layout und Koordination von Sicherung und Schutzbauteilen. Die Sicherung darf bei normativen Surge-Ereignissen nicht auslösen.

• Startverhalten, Überschwinger, Hold-up und Ausschaltverzögerungen sind zeitkritische Systemparameter. Sie müssen mit dem Anwender abgestimmt und für Uin(min) bis Uin(max) definiert werden.

• Lastverhalten ist die dominierende Unbekannte. Peak-Lasten sind über Höhe und Zeit zu definieren; DC/DC-Wandler erfordern Sequencing. (mr)

* Fabian Schmid ist im Team Vertrieb Kundenbeziehung und Vernetzung bei inpotron Schaltnetzteile GmbH.

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