Wie entsteht Einschaltstrom? Und wie lässt er sich begrenzen?

Ein hoher AC-Einschaltstrom ist problematisch für ein effizientes und vereinfachtes Systemdesign. Daher versuchen Netzteilhersteller, den Einschaltstrom so gering wie möglich zu halten. In diesem Blogartikel erfahren Sie, warum ein Einschaltstrom bei Netzteilen auftritt und welche Methoden Hersteller anwenden, um ihn zu minimieren.

Wahrscheinlich haben die meisten von uns den Effekt des AC-Einschaltstroms bereits zu Hause bemerkt – z.B. wenn energiehungrige Elektrogeräte, wie der Kühlschrank, Elektrowerkzeuge, Staubsauger oder die Klimaanlage eingeschaltet werden: Die Beleuchtung flackert kurz. Das ist ein Zeichen dafür, dass die Wechselspannung durch den Einschaltvorgang eines angeschlossenen Verbrauchers heruntergezogen wird.

Glücklicherweise sind flackernde Lichter im Haushalt normalerweise schon der Worst Case. In einer industriellen Umgebung birgt der Eingangs-Einschaltstrom jedoch deutlich größere Risiken. Er kann negative Auswirkungen auf empfindliche Systeme haben und zu unerwarteten Ausfallzeiten oder sogar Schäden an teuren Maschinen führen.

Zudem muss bei der Auswahl weiterer Systemkomponenten wie Leitungsschutzschalter, Relais usw. immer die Höhe des Einschaltstroms berücksichtigt werden. Das bedeutet, je niedriger der Einschaltstrom, desto geringer der zusätzliche Aufwand in Bezug auf Systemauslegung und Wartung.

Bevor wir darauf eingehen, wie sich der Einschaltstrom begrenzen lässt, wollen wir definieren, was genau AC-Einschaltstrom bei Netzteilen ist und warum er auftritt.

Wie entsteht Einschaltstrom in einem Netzteil?

Als Einschaltstrom bezeichnet man den Stromstoß, der kurzzeitig am Eingang eines Netzteils auftritt, sobald sich die Eingangskondensatoren, nach Anlegen der Eingangsspannung, aufladen. Der Einschaltstrom ist höher als der Nennstrom des Netzteils im laufenden Betrieb.

Um sichere Systemabläufe zu gewährleisten und das Auslösen von Sicherungen oder Schutzschaltern zu vermeiden, muss der Einschaltstrom begrenzt werden. Es gibt verschiedene technische Lösungen, um das zu erreichen.

Wie lässt sich der AC-Einschaltstrom begrenzen?

Im Folgenden erläutern wir die vier gängigsten Methoden, die zur Begrenzung des Einschaltstroms in industriellen Netzteilen eingesetzt werden.

Grafik: Dieses Ranking zeigt 4 Methoden zur Begrenzung des Einschaltstroms am Eingang eines Netzteils.

1. Einschaltstrombegrenzung durch NTC-Thermistoren

NTC ist die Abkürzung für “Negative Temperature Coefficient”. NTC-Thermistoren sind die einfachste und kostengünstigste Art, den Einschaltstrom zu begrenzen. Diese Lösung basiert auf thermisch empfindlichen Halbleiterwiderständen, die mit steigender Temperatur einen abfallenden Widerstand aufweisen.

Beim ersten Einschalten ist der NTC-Thermistor kalt, hat also eine hohe Impedanz und begrenzt effektiv den Ladestrom der Eingangskondensatoren. Der NTC-Thermistor erwärmt sich aufgrund seiner eigenen Verluste sehr schnell, sodass die Impedanz auf ein niedriges Niveau abfällt und den erforderlichen Strom fließen lässt.

Diese Lösung hat jedoch auch Nachteile. Die Auswirkung temperaturempfindlicher Widerstände auf den Einschaltstrom hängt stark von der Umgebungstemperatur ab.

Ist es zu kalt (z. B. unter 0 °C), kann es zu Startproblemen kommen, da sich der Thermistor nicht schnell genug erwärmt. Ist es wiederum zu heiß, funktioniert die Einschaltstrombegrenzung der NTC-Thermistoren möglicherweise nicht richtig.

Ein weiterer Nachteil von NTC-Thermistoren ist die unzureichende Einschaltstrombegrenzung nach kurzen Unterbrechungen der Wechselspannung: Sobald die Eingangsspannung unterbrochen wird, werden die Elektrolytkondensatoren entladen. Der NTC-Thermistor bleibt jedoch niederohmig, da er bereits aufgeheizt ist. Daher ist der Thermistor praktisch wirkungslos, wenn die Spannung wiederhergestellt ist. Dieser Effekt kann die Kondensatoren beschädigen.

NTC-Thermistoren erzeugen aufgrund ihrer Funktionsweise auch eine Verlustleistung. Dies kann den Gesamtwirkungsgrad der Stromversorgung verschlechtern.

2. Einschaltstrombegrenzung durch Festwiderstände

Der Einschaltstrom kann auch mit einem Festwiderstand begrenzt werden. Nachdem die Elektrolytkondensatoren am Eingang des Netzteils aufgeladen sind, wird der Widerstand überbrückt.

Zur Überbrückung des Widerstands können verschiedene Komponenten verwendet werden, wie Relais, Triacs oder IGBTs.

Diese Methode der Einschaltstrombegrenzung ist aufwendiger zu realisieren und damit auch teurer als der Einsatz von NTC-Thermistoren. Daher wird sie hauptsächlich in Netzteilen mit höherer Leistung (250 W und mehr) eingesetzt. Die Vorteile sind, dass Festwiderstände unabhängig von der Umgebungstemperatur funktionieren und deutlich weniger Verluste verursachen.

3. Einschaltstrombegrenzung durch Phasenabschnittsteuerung

Die Phasenabschnittsteuerung funktioniert ähnlich wie die Lösung auf Basis von Festwiderständen. Der strombegrenzende Pfad wird nach dem Aufladen der Kondensatoren mit einem Relais überbrückt. Das Besondere an dieser Lösung ist die Methode zur Strombegrenzung selbst.

Eine Elektronik misst den Momentanwert der Wechselspannung und vergleicht ihn mit der Spannung der teilgeladenen Kondensatoren. Wenn die Differenz kleiner ist, als ein festgelegter Schwellenwert von z.B. 30 V, schließt der MOSFET. Wenn die Differenz größer als 30 V ist, öffnet der MOSFET wieder.

Der On-Widerstand des MOSFET begrenzt dabei den Lade-Spitzenstrom. Wenn beispielsweise der On-Widerstand einen Wert von 4 Ohm hat, wird der Strom auf 7,5 A (30 V / 4 Ohm) begrenzt. Somit ist ein sanftes Anlaufen bei allen Eingangsspannungen gewährleistet. Wenn die Eingangskondensatoren voll geladen sind, wird die Schaltung zur Einschaltstrombegrenzung überbrückt, um Leistungsverluste zu vermeiden.

PULS verwendet diese Technik in vielen seiner Netzteile der DIMENSION C-Serie.

4. Einschaltstrombegrenzung durch gepulstes Aufladen des Eingangskondensators

Das gepulste Aufladen ist eine smarte und effiziente Methode, um das Laden des Eingangskondensators „sanft“ zu steuern. Hierzu wird ein kleines Schaltnetzteil integriert und als Ladeschaltung verwendet. Dies ermöglicht ein sehr effizientes und verlustarmes Laden der Eingangskondensatoren.

Diese Methode ermöglicht einige Vorteile:

Der Einschaltstrom ist nur geringfügig höher als der Nennstrom.
Der Spitzenstrom kann genauer berechnet werden, da keine Variablen beteiligt sind.
Eine Ladeverzögerung ist ebenfalls in das Design integriert. Das heißt, wenn die Stromversorgung eingeleitet oder wiederhergestellt wird, trägt die Versorgung nicht zu einem unnötigen Einschaltstrom bei, da benachbarte Geräte ebenfalls mit Strom versorgt werden.
Die Dimensionierung von Sicherungen oder Schutzschalter erfolgt basierend auf dem Nennstrom und nicht auf dem Einschaltstrom.
Die Einschaltstrombegrenzung ist unabhängig von Eingangsspannung oder Temperatur

Das gepulste Aufladen ist eine hocheffizient Methode und wird in vielen Hutschienen-Netzteilen der DIMENSION Q-Serie verwendet.

Zusammenfassung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den AC-Einschaltstrom so weit zu begrenzen, dass er nahezu auf dem Niveau des Nennstroms liegt. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, wie Temperaturempfindlichkeit oder einen höheren Preis. Welche Lösung für Sie die richtige ist, hängt von Ihrer Anwendung und den Umgebungsbedingungen ab. Sie können sich auch an unser Team aus erfahrenen Applikationsingenieuren wenden, um die beste Lösung zu finden.