Stromversorgungen

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Einfluss des exter-nen Stromnetzes auf den Eingangsbereich von Schalt-netzteilen – eine Problematik, die für alle Schaltnetzteile gleich ist. Der Eingangsbereich besteht aus einem EMV-

Filter, dem Gleichrichter und einem Eingangskondensator, wel-cher beim Einschalten des Netzteils den größten Einfluss auf den Einschaltstrom hat. Um gegebenenfalls die Funktionen zu erwei-tern beziehungsweise zu verbessern, lassen sich noch weitere Blö-cke ergänzen. Dazu zählen Leistungsfaktorkorrektur (PFC), Über-strom-, 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 induk-tiven Blindwiderstandes und der Kapazität sowie dem ESR des Eingangskondensators im Netzteil.

Der Wert des Eingangskondensators des Schaltnetzteils hat den größten Einfluss auf die Höhe des Einschaltstroms in Abhängigkeit auf unterschiedliche Eingangsspannungswerte. Eine hohe Kapazi-tät des Eingangskondensators und eine hohe Eingangsspannung erzeugen einen hohen Einschaltstrom. Die extremen Einschalt-stromspitzen entstehen durch die hohen Kapazitäten der Konden-

Ohne Begrenzung geht es nichtDie Kunst der Verringerung von Einschaltströmen bei Schaltnetzteilen

Fast jedes Schaltnetzteil produziert beim Einschalten kurzeitig hohen Anlaufstrom. Je nach Ausgangsleistung der Stromversorgung erreicht er bei 230 VAC Betriebsspannung schnell 70 A. Starten mehrere Schaltnetzteile gleich-zeitig, lösen die Leitungsschutzschalter aus. Die Erfahrung machen aktuell viele Ingenieure beim Installieren von LED-Beleuchtung. Wie sich das kostengünstig meistern läßt, zeigt M+R Multitronik. Autor: Victor Ienea

satoren im Eingang des Netzteils. Der Einschaltstromverlauf ist in der roten Linie im Diagramm des Eingangsbereiches dargestellt (Bild 4). Vor dem Einschalten ist der Eingangskondensator in der Regel leer und im Einschaltmoment verursacht die hohe Leis-tungsaufnahme 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 5).

Der Einschaltstrom wird als Maximalwert gemessen. Der Worst Case (schlimmster Fall) tritt ein, wenn sich die Sinuswelle der Ein-gangsspannung beim Einschalten des Netzteils im Maximum be-findet und zudem der Kondensator komplett entladen ist. 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 Wechsel-spannung und natürlich ein Schaltnetzteil. Die Eingangswechsel-spannung 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 Ein-schaltzeitpunkt und dem Zeitpunkt definiert, an dem die Amplitu-de Imax / 2 erreicht hat (Bild 5).

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Bild 1: Oftmals müssen Begrenzungen sein. Bild

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Stromversorgungen

Die Energie der ersten Amplitude ent-spricht annähernd dem Feld des Recht-eckes, das durch Imax / 2 und T50 aufge-spannt wird. Mit dem Energiewert lässt sich die maximale Anzahl an Schaltnetztei-len 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 Möglich-keit eröffnet sich speziell im niedrigen Leistungsbereich. Die häufigsten Metho-den 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 La-

dung des KondensatorsSpeziell 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 we-sentlich 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 dimen-sionieren, sind die oben beschriebenen Ef-fekte von Einschaltströmen für die Ent-wickler von Schaltnetzteilen sehr wichtig.

Netzteile an LeitungsschutzschalterFür den Elektriker oder Entwicklungsinge-nieur, der das Schaltnetzteil in seine Appli-

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Wenn weniger mehr istDass Leistungsschutzschalter 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 Strom-verteilung nicht getan – externe Einschalt-strombeschränker, die zudem kostengüns-tig sind, kommen hier ins Spiel. Es lassen sich damit mehr Netzteile pro Leistungs-chutzschalter betreiben.

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Auf einen Blick

Bild 2: Die Einschaltstrombegrenzer ESB101 oder ESB201 von Camtec.

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Bild 3: Diagramm einer Installation mit Einschaltstrombegrenzer.

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Stromversorgungen

Der Autor: Victor Ienea ist im Technischen Support bei der M+R Multitronik GmbH in Lübeck tätig.

kation einbaut, sind die signifikanten Parameter des Einschalt-stroms hauptsächlich Imax und T50. Mit den vorliegenden Werten von Imax und T50 läßt sich die Anzahl an Schaltnetzteilen berech-nen, die maximal an einem Leitungsschutzschalter anliegen darf. Die Formel dafür ist: Anzahl der Netzteile = (In • M • k) / (Imax). Dabei ist: In = Nominalstrom der Sicherung. Zum Beispiel bei einer Sicherung B16 ist der In= 16 A. M = Multiplikationsfaktor in Ab-hängigkeit der Schaltcharakteristik der Sicherungsklasse (für B-Klasse ist es der Faktor 3, für C-Klassen 5 und für D-Klassen 10).

In der Realität haben diese Werte natürlich eine gewisse Band-breite, um aber auf der sicheren Seite zu bleiben, ist hier für die Berechnung der niedrigste Wert ausgewählt. Für die Sicherung B16 in dem Beispiel beträgt der M-Faktor also 3. k = bekannt als Sicherheitsfaktor, der in Abhängigkeit des Schaltverhaltens der Si-cherung und des Einschaltstromimpulses von den Herstellern der Sicherungen und Leitungsschutzschalter angegeben ist. Dieser Faktor ist in den Datenblättern des Sicherungsherstellers enthal-ten. Für das Beispiel nahmen die Entwickler einen Einschaltstro-mimpuls von 600 μs und einen sich daraus ergebenden k-Faktor von 4,2 an. Der Imax läßt sich messen, wie oben ausführlich erläu-tert. In der Regel ist der Wert auch dem Datenblatt des Herstellers des Schaltnetzteils zu entnehmen.

Für das Beispiel gilt der Wert Imax = 30 A. Mit den genannten Beispielwerten ergibt sich die Anzahl der Netzteile nach folgender Rechnung: (16 • 3 • 4,2) / 30 = 6,72. Das bedeutet, dass man maxi-mal sechs Schaltnetzteile mit einem Einschaltstrom von Imax = 30 A und einer Impulsdauer von 600 μs an eine Sicherung der Klasse B16 anschließen darf, um ein Auslösen der Sicherung beim Ein-schalten der Netzteile zu verhindern. Eine andere Möglichkeit die Anzahl der Schaltnetzteile zu erhöhen, besteht unter anderem in

der Auswahl einer anderen Sicherungsklasse (dafür könnte man beispielsweise Klasse C oder D verwenden). Das funktioniertt aber nur dann, wenn der Gesamtplan der Stromverteilung dieses Vorge-hen auch zulässt. Einfacher ist es hingegen, speziell bei den schon bestehenden Stromverteilungen, einen externen Einschaltstrom-begrenzer zu installieren.

Vielfältige Einsatzgebiete und VorteileIm Bereich des stark wachsenden LED-Marktes eröffnet sich ein riesiges Anwendungsfeld. Jede LED-Leuchte benötigt einen LED-Treiber, der nichts anderes ist als ein Schaltnetzteil. Mehrere LED-Leuchten in einem Raum verursachen einen höheren Einschalt-strom als bei konventioneller Beleuchtung. In so einem Fall stößt der Elektroinstallateur schnell an Grenzen, die mit der einfachen Methode (die Sicherungsklasse der Sicherung in der Stromvertei-lung zu ändern), nicht zu bewältigen sind. Hier empfiehlt M+R Multitronik zum Beispiel die Camtec ESB101- oder ESB201-Ein-schaltstrombegrenzer. Mit ihnen ist die Anzahl der Schaltnetzteile an einer Sicherung nicht mehr durch den Einschaltstrom begrenzt, sondern nur durch den RMS (Root Mean Square, Effektivwert) des Eingangsstroms und dem Wert des internen Kondensators des Schaltnetzteils. Als Faustregel kann man sagen, dass sich die An-zahl der Netzteile an einer Sicherung bei Verwendung eines Ein-schaltstrombegrenzers mindestens verdoppeln. In der Praxis ist aber auch eine Verdreifachung der Schaltnetzteile oder mehr durchaus möglich.

Elektronische Einschaltstrombegrenzer wie ESB101 und ESB201 sparen Kosten in der LED-Beleuchtungstechnik. Sie begrenzen die Einschaltströme präzise und wiederholgenau. Durch diese strikte Begrenzung lassen sich mehr LED-Netzteile je Leitungsschutz-schalter betreiben. Es wird so verhindert, dass der Leitungsschutz-schalter auslöst. Eine geringere Amperezahl ermöglicht geringere Leitungsquerschnitte. Bezieht der Entwickler den ESB101 oder den ESB201 von vornherein in die Lichtplanung mit ein, dann kann er die Installationskosten der gesamten LED-Beleuchtung bis zu 70 Prozent gegenüber einer konventionellen Installation redu-zieren. Die Kostenersparnis für die LED-Beleuchtung mit dem Einschaltstrombegrenzer wird durch die deutliche Reduzierung des Materialbedarfs für Leitungsschutzschalter und Leitungen, so-wie nicht zuletzt durch einen wesentlich niedrigeren Installations-aufwand erreicht. (rao)� n

Bild 4: Der Einschaltstromverlauf ist in der roten Linie im Diagramm des Eingangsberei-ches dargestellt.

Bild 5: Auf den Messbildern läßt sich die Stromspitze auf der höchsten Amplitude messen sowie die Zeit ablesen, die sich aus der Differenz zwischen dem Einschaltzeit-punkt und dem Zeitpunkt, an dem die Amplitude Imax / 2 erreicht hat, ergibt.