Einschaltstrombegrenzung Drahtgewickelte Festwiderstände und NTCs als Einschaltstrombegrenzer im Vergleich

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Einschaltstrombegrenzende Widerstände zum Laden von DC-Link-Kondensatoren – eine Betrachtung der Vorteile von drahtgewickelten Festwiderständen im Vergleich zu temperaturabhängigen Widerständen.

In getakteten Stromversorgungen, Frequenzumrichtern und Antrieben wird die Netzspannung zunächst gefiltert und dann mittels eines Brückengleichrichters in Gleichspannung umgewandelt. Danach glättet und stabilisiert ein Zwischenkreiskondensator (Elektrolyt- oder Folienkondensator) die Gleichspannung, bevor sie zur eigentlichen Wandlerstufe gelangt. Dieser Zwischenkreiskondensator ist beim Einschalten entladen, es kommt daher im Einschaltmoment zu einem hohen Einschaltstrom. Die Höhe dieses Einschaltstroms muss so begrenzt werden, dass eine Zerstörung des Brückengleichrichters und der Wandlerstufe sowie ein Auslösen der Sicherung verhindert wird. Darüber hinaus sollte nach dem Einschalten ein stets schonendes, gleichmäßiges und vollständiges Laden des Zwischenkreiskondensators gewährleistet sein.

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Zur Begrenzung des Einschaltstroms gibt es verschiedene Konzepte. Häufig werden entweder Temperaturabhängige Widerstände (NTCs und PTCs) oder Festwiderstände verwendet. Das Unternehmen Ty-Ohm aus Taiwan bietet eine umfangreiche Palette von drahtgewickelten Festwiderständen zur Einschaltstrombegrenzung an. Im Folgenden werden die Vorteile dieser Lösung im Vergleich zu einer Einschaltstrombegrenzung mit temperaturabhängigen Widerständen beschrieben.

Einschaltstrombegrenzung in Stromversorgungen bis etwa 150 W

Zur Begrenzung der Einschaltströme in Stromversorgungen mit einer Leistung bis etwa 150 W werden häufig NTCs (Heißleiter) in Reihe zur Last verwendet (Bild 1). Im Einschaltmoment wird der Einschaltstrom durch den relativ hohen Nennwiderstand des NTCs begrenzt. Im Betrieb erwärmt sich der NTC durch den Stromfluss und durch die Umgebungstemperatur. Diese Erwärmung bewirkt eine deutliche Verringerung des Widerstandswertes des NTCs sowie seiner Verlustleistung.

Kritische Aspekte beim Einsatz eines NTCs als Einschaltstrombegrenzer

Bei der Verwendung eines NTCs zur Einschaltstrombegrenzung erweisen sich folgende Umstände als kritisch:

• Bei einem spontanen Wiedereinschalten des Geräts nach einem Dauerbetrieb hat der NTC keine Zeit, um abzukühlen. Im Moment des Wiedereinschaltens befindet sich der NTC noch in einem niederohmigen Zustand und ist zur Begrenzung der erneuten Einschaltstromspitzen nahezu wirkungslos.

• Kommt es während des Betriebs zu kurzzeitigen Netzausfällen (im Bereich einiger 100 ms), entlädt sich der DC-Link-Kondensator. Jedoch kühlt der NTC nicht ab und kann daher die Einschaltstromspitzen nicht wirksam begrenzen, die nach dem Netzausfall beim Laden des DC-Link-Kondensators entstehen. Dieses Szenario ist vor allem in Gegenden mit instabilen Netzverhältnissen relevant, wo es gelegentlich bis häufig zu kurzzeitigen Netzausfällen als Folge von z.B. Umschaltvorgängen im Netz kommt.

• Ein NTC besitzt keine spezifizierte Fail-Safe-Eigenschaft für den Fehlerfall, der dazu führt, dass die volle Netzspannung (90 bis 270 V_AC) direkt am NTC anliegt. Dieser Fehlerfall ist z.B. bei einem Kurzschluss des DC-Link-Kondensators gegeben.

• Ebenso wenig verfügt ein NTC über eine spezifizierte Fail-Safe-Eigenschaft für einen Fehlerfall, der dazu führt, dass an dem NTC weniger als die Netzspannung anliegt. Dies ist z.B. bei einem niederohmigen Ausfall des DC-Link-Kondensators gegeben. In diesem Fall kommt es zu einer Spannungsteilung zwischen dem ausgefallenen Bauelement und dem NTC. Die dann an dem NTC anliegende Spannung kann eine massive Erwärmung des NTCs verursachen. Diese Erwärmung kann dazu führen, dass der durch den NTC fließende Strom über den maximal zulässigen Wert ansteigt. Ein Schaden des NTCs kann die Folge sein.

• NTCs besitzen keine Spezifikation der transienten Impulsspannungsfestigkeit (Surge).

• Ein mit 3 W spezifizierter NTC mit einem Nennwiderstand von z.B. 22 Ω bei 25 °C besitzt gemäß Hersteller-Datenblatt bei 100 °C immer noch einen Widerstandswert von 2,5 Ω. Je weniger sich ein NTC im Betrieb erwärmt (z.B. bei kalten Umgebungstemperaturen), desto höher ist seine Verlustleistung.

• Die tatsächlich auftretende Verlustleistung im Betrieb lässt sich nicht konkret vorhersagen, da verschiedene Variablen wie die Umgebungstemperatur, die Bauteile-Temperatur und die Länge des Betriebs mit einfließen.

• NTCs sind im Allgemeinen mit einer Toleranz des Nennwiderstands von ±20% spezifiziert. Die mögliche Widerstands-Streuung zwischen NTCs verschiedener Produktionschargen von bis zu 40% kann zu entsprechend unterschiedlichen Einschaltstromspitzen führen und erschwert die Vorhersage tatsächlicher Einschaltströme, Ladeströme und Ladezeiten.

• Der Widerstandswert eines NTCs hängt stark von der Umgebungstemperatur ab. Sehr kalte Umgebungstemperaturen (z.B. im Winter in nicht beheizten Räumen oder im Außenbereich) können zu Startproblemen und einer deutlich erhöhten Verlustleistung führen. Hohe Umgebungstemperaturen (z.B. Umwälzpumpen für Warmwasser) können eine ungenügende Begrenzung des Einschaltstroms bewirken.

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