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Einschaltspitzenstrom effektiv reduzieren - Polyscope

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NETZTEILE
www.polyscope.ch
P has enabs c hnittsste ue rung
Einschaltspitzenstrom effektiv reduzieren
Der Stromversorgungshersteller Puls hat eine neue und effektive Methode zur Reduzierung
des Einschaltstroms entwickelt, die auch zum Patent angemeldet wurde. Diese Methode
kommt in den 120- und 240-W-Geräten der Dimension-C-Serie (CS 5.241 und CS 10.241) zur
Anwendung.
» Michael Raspotnig
Das Einschalten vieler elektrischer und elektronischer Geräte belastet das speisende
230- oder 400-V-Netz kurzzeitig mit hohen
Stromimpulsen. Verursacht werden diese
Stromspitzen durch das Aufladen eines Elektrolytkondensators im Eingangskreis des Geräts. Oftmals müssen wegen dieses Spitzenstroms Sicherungsautomaten, Schalter und
Relaiskontakte überdimensioniert werden,
wenn das Gerät nicht über eine geeignete
Massnahme verfügt, welche diesen wirksam
begrenzt. Fehlauslösungen von Sicherungsautomaten oder Verschmelzen von Relaiskontakten können ansonsten die Folge sein.
Ausserdem erzeugen solch hohe Stromimpul-
se Spannungseinbrüche auf der Netzspannung, die wiederum Fehlfunktionen bei
benachbarten Verbrauchern verursachen
können.
Bei der Auswahl von Stromversorgungen
wird der Einschaltspitzenstrom oftmals zu
wenig beachtet oder auch ganz übersehen
und kann später, bei der Inbetriebnahme
von Anlagen, zu Überraschungen führen.
Vorsicht ist auch bei der Bewertung der
Angaben in den Datenblättern unterschiedlicher Hersteller geboten, da die zugrunde
gelegten Parameter nur selten vergleichbar
sind. Gerade diese haben einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis und sol-
Geräte der Dimension-Q-Serie verwenden die spezielle Phasenabschnittssteuerung zur Reduzierung des Einschaltspitzenstroms
len so praxisnah wie möglich gewählt sein.
Eine typische Angabe bei 20 °C Umgebung
ist z. B. wertlos, wenn der in der Praxis auftretende Fall bei 45 °C einen 3-fach höheren
Wert erreichen kann.
Einschaltstrom kann unterschiedlich
begrenzt werden
Bei vielen aus 230 oder 400 V versorgten Geräten wird die Netzspannung gefiltert, mittels
eines Brückengleichrichters in Gleichspannung umgewandelt und mit einem grossen
Elektrolytkondensator geglättet. Danach erst
gelangt die Spannung als Gleichspannung
zur eigentlichen Wandlerstufe. Nach dem Anlegen der Netzspannung verursacht der Ladestrom dieses grossen Elektrolytkondensators den Einschaltspitzenstrom und muss
unbedingt begrenzt werden. Hier unterscheiden sich die Geräte durch Verwendung unterschiedlicher Konzepte:
Die zweifellos einfachste Art der Einschaltstrombegrenzung ist die Verwendung
eines NTC-Widerstandes. Hierbei wird der Ladestrom durch einen NTC begrenzt. Ein NTC
ist ein Widerstand, bei dem der Ohm-Wert
mit steigender Temperatur sinkt. Beim ersten
Einschalten ist der Widerstand, kalt, hochohmig und begrenzt den Ladestrom effektiv.
Nach relativ kurzer Zeit erwärmt sich der Widerstand durch die eigenen Verluste auf etwa
110 °C und wird um den Faktor 15 niederohmiger. Damit bleiben die Verluste während
des Betriebs in Grenzen. Die Wirkung dieser
Art von Einschaltstrombegrenzung ist bauteilbedingt stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Bei zu kalten Temperaturen
(Minusbereich) kann es zu Startproblemen
kommen, bei zu hohen Temperaturen wird
der Einschaltstrom nur ungenügend bePolyscope 1-2/08
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Nachgefragt
«Entwicklung dauerte etwa zweieinhalb Jahre»
Wie sah die Puls-Lösung früher aus?
Puls hat schon immer Wert auf geringe
Einschaltströme gelegt. In der Vergangenheit wurden ab einer Leistungsklasse von
120 W anstelle der einfachen NTCEinschaltstrombegrenzung auch aufwendigere Schaltungen angeboten. Auch bei
NTC-Geräten wurden, trotz der Nachteile
der etwas höheren Verluste, immer höhere
Widerstandswerte gewählt, als es
marktüblich war. In aktuellen Stromversorgungsdesigns werden heutzutage
immer öfters Mikrocontroller zur
Ansteuerung eingesetzt. So auch in der
neuen C-Serie. Mikrocontroller bieten nun
Möglichkeiten, komplexe Aufgaben mit
einer geringen Anzahl von Bauelementen
umzusetzen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, die nun in der C-Serie genutzt
werden.
Wie viel Zeit brauchte die Neuentwicklung?
Schwer zu sagen. Die Einschaltstrombegrenzung ist nur ein kleiner Teil der
Aufgaben einer Stromversorgung. Diese
kann nicht separat entwickelt werden. Die
Schaltung braucht z. B. eine Hilfsspannung,
die nicht nur die Einschaltstrombegrenzung, sondern auch andere Schaltungsteile
versorgt. Das Gleiche gilt auch für andere
Details. Ein Modulaufbau, bei dem jede
Funktion autonom funktioniert, kann sich
heutzutage eigentlich keiner mehr leisten.
In der Summe betrug die Entwicklungszeit
der C-Serie etwa zweieinhalb Jahre.
Worin lagen die Hauptschwierigkeiten und
wie wurden diese bewältigt?
Hier ist es wie bei allen Entwicklungen.
Ein Musterschaltplan nach Tietze&Schenk
ist schnell aufgebaut. Die Probleme liegen
aber im Detail. In diesem Fall waren es die
Fehlertests, die viel Fingerspitzengefühl
und Geschick erforderten. Man will ja
grenzt. Ausserdem ist die Dimensionierung
bei Geräten mit Weitbereichseingang (85 bis
264 VAC) schwierig. Im unteren Bereich der
Eingansspannung ist der Strom ausreichend
begrenzt, im oberen Bereich treten jedoch
aufgrund der höheren Spannung spürbare
Spitzenströme auf. Um die Verlustleistung in
Grenzen zu halten, wird die NTC-Lösung üb-
Der Einschaltspitzenstrom führt oft zu
unliebsamen Überraschungen
Michael Raspotnig, Senior Design Engineer
bei Puls
nicht, wenn z. B. ein Halbleiter oder
Elektrolytkondensator im Gerät defekt
geht, dass das Gerät sich dann unsicher
verhält und eine Gefahr für die Umgebung
darstellt. Des Weiteren muss die Schaltung problemlos mit der automatischen
Bereichsumschaltung umgehen können.
Auch bei dem in einigen Normen definierten langsamen Ansteigen der
Eingangsspannung muss die Schaltung
sauber arbeiten und darf nicht einfach in
einen Schutzmodus gehen. Schwierig ist
es, im Vorfeld alle diese Fehlermöglichkeiten zu erkennen. Eine Lösung findet
sich dann üblicherweise schon.
Wie sehen die ersten Rückmeldungen Ihrer
Kunden aus?
Rückmeldung bekommt man erfahrungsgemäss immer nur, wenn etwas nicht so läuft
wie es soll. Gelobt wurden wir schon
mehrfach. Speziell Anwender, die mehrere
Stromversorgungen in einer Maschine oder
Anlage verwenden, wissen diese Eigenschaft zu schätzen.
licherweise nur für Geräte bis zu einer Leistungsklasse von 250 W eingesetzt.
Deutlich aufwendiger ist die Methode,
den Einschaltspitzenstrom mittels eines Leistungswiderstands mit konstantem Ohm-Wert
zu begrenzen, der nach erfolgter Aufladung
des Elektrolytkondensators überbrückt wird.
Zur Überbrückung können Relais, Triacs,
Kaltstart einer 24-V-/10-A-Stromversorgung mit
NTC-Einschaltstrombegrenzung
Eine 24-V-/10-A-Stromversorgung der
Dimension-C-Serie mit neuer Phasenabschnittsanlaufschaltung
Autor
Michael Raspotnig, Senior Design Engineer.
Er arbeitet schon seit bald 20 Jahren bei Puls
und hat ein enormes Fachwissen. Unter
anderem leitet Michael Raspotnig auch das
Bench-Mark, welches dadurch über enorme
Wettbewerberkenntnisse verfügt.
Polyscope 1-2/08
NETZTEILE
Prinzipschaltbild einer getakteten Stromversorgung
IGBTs oder andere Bauteile verwendet werden. Die Vorteile sind eine temperaturunabhängige Begrenzung des Ladestroms sowie
deutlich weniger Verlustleistung. Trotzdem
bleibt der Ladespitzenstrom von der Eingangsspannung abhängig.
Anlauf mittels einer Phasenabschnittsschaltung
Diese neue Methode sieht auf den ersten Blick
relativ kompliziert aus, ist sie aber nicht. Hier
wird, wie auch bei der Methode mit dem Festwiderstand, der begrenzende Pfad nach Aufladung des Kondensators mit einem Relais
überbrückt. Der Trick liegt hier in dem begrenzenden Teil selbst. Eine Elektronik misst
den aktuellen Momentanwert der Wechselspannung und vergleicht diesen mit dem
Wert des teilweise schon aufgeladenen Kondensators. Ist die Differenz kleiner als eine
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Prinzipschaltbild einer Phasenabschnittssteuerung zur Einschaltstrombegrenzung
fest eingestellte Schwelle von z. B. 30 V, schaltet ein Mosfet zu. Wird die Spannungsdifferenz grösser als 30 V, öffnet der Mosfet wieder. Das kann man auch gut im nachfolgenden
Kurvenverlauf des Eingangsstroms Ie während des Ladevorgangs des Elektrolytkondensators Uc erkennen. Der On-Widerstand des
Mosfets begrenzt dabei den Ladespitzenstrom. Hat dieser z. B. ein RON von 4 Ω, ist der
Strom auf 7,5 A begrenzt (30 V/4 Ω). Hiermit
ist ein sanftes Anlaufen über den gesamten
Eingangsspannungsbereich garantiert. Bei
höheren Eingangsspannungen dauert der Anlauf wegen des geringeren Stromöffnungswinkels dann ein wenig länger. Zusätzlich erkennt die Steuerung auch Fehler und Defekte
im Gerät und kann bei Bedarf die nachfolgende Schaltung vom Netz entkoppeln. Der
Schutzmechanismus überprüft, ob der Kondensator in einer vorgegebenen Zeit aufgela-
den ist. Ist das nicht der Fall, öffnet der Mosfet und das Gerät bleibt aus. Dies kann z. B.
der Fall sein, wenn das Relais zur Überbrückung versagt und nicht mehr schliesst oder
wenn im nachfolgenden Wandler ein Kurzschluss vorliegt. Ein Festwiderstand würde
hier extrem hohe Temperaturen bekommen
und so eventuell ein Gefahrenpotenzial für
die gesamte Anlage darstellen.
Vorteile der Einschaltstrombegrenzung
mittels Phasenabschnittssteuerung:
■ der Spitzenstrom ist eingangsspannungsunabhängig
■ der Spitzenstrom ist temperaturunabhängig
■ geringe Verlustleistung
■ keine Startprobleme bei niedrigen Temperaturen
Zusammenfassung
Geringe Einschaltspitzenströme waren schon
immer ein wichtiges Thema für Puls. Auch
die Geräte der Dimension-Q-Serie verwenden
einen speziellen Mechanismus zur Reduzierung des Einschaltspitzenstroms. Bei den
meisten Geräten dieser Serie wird der Eingangskondensator getaktet geladen, um unerwünschte Rückwirkungen auf der Netzzuleitung zu vermeiden.
Neben dem geringen Einschaltstrom
zeichnen sich die Geräte der DimensionC-Serie durch eine schmale und kompakte
Bauform, geringe Verlustleistung und grosszügige Leistungsreserven aus. Der Ausgangsstrom kann kurzzeitig deutlich höher als der
Nennstrom sein, das hilft beim Starten von
trägen Motoren oder zum Auslösen klassischer Leitungsschutzschalter. Das sind alles Eigenschaften, die eine Integration in ein
Gesamtsystem deutlich vereinfachen.
«
Phasenabschnittssteuerung am Beispiel der Dimension-C-Serie-Stromversorgung bei 230 V Eingang.
Das Diagram zeigt den Stromverlauf zum Zeitpunkt eines zu 80 % (= 250 V) aufgeladenen Kondensators
Polyscope 1-2/08
Infoservice
Puls electronic GmbH
Lindenrain 2, 5108 Oberflachs
Tel. 056 450 18 10, Fax 056 450 18 11
info@puls-power.ch, www.puls-power.ch
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