Einschaltstrombegrenzung Absichern mit PTCs von Epcos

NTC-Thermistoren sind als Einschaltstrombegrenzer in Stromversorgungen meist eine geeignete Lösung. Sind Temperatur- und Leistungsanforderungen jedoch besonders anspruchsvoll, bieten PTC-Thermistoren einen verlässlicheren Schutz. Die neuen PTCs schützen sogar vor internen Kurzschlüssen.

Hohe Ströme treten immer dann auf, wenn elektrische Geräte wie Antriebe, Umrichter oder Stromversorgungen eingeschaltet werden.

Weil diese hohen Einschaltströme empfindliche Baueinheiten wie den Gleichrichter beschädigen oder gar zerstören können oder auch die Netzsicherung auslösen, sind Schutzmaßnahmen notwendig (Bild 1). Dies verhindert, dass der Strom einen kritischen Wert überschreitet und die Sicherung auslöst oder den Gleichrichter zerstört.

Um diese Einschaltströme zu begrenzen, stehen zwei Verfahren zur 
Verfügung: Die einfachere Variante ist, in den Stromkreis ein Schutzbauelement wie einen Einschaltstrombegrenzer (ICL, Inrush Current Limiter) einzufügen, durch den ständig der gesamte Strom fließt. Vor allem bei höheren Leistungen empfiehlt sich aber ein Verfahren, das den ICL nach Abklingen der Einschaltstromspitze aktiv überbrückt. Die beiden Schaltungsprinzipien werden daher auch als passive beziehungsweise aktive ICL-Kreise bezeichnet.

Welches ICL-Konzept sich für eine bestimmte Anwendung eignet, hängt von mehreren Faktoren ab. Die wichtigsten Parameter sind die Nennleistung, die Häufigkeit, mit der die Geräte Einschaltströmen ausgesetzt sind, der Betriebstemperaturbereich sowie die Systemkosten.

Bei kleinen Stromversorgungen mit einer Nennleistung von wenigen Watt besteht die einfachste und praktischste Lösung darin, einen ohmschen Widerstand in Reihe zur Last zu schalten. In Stromversorgungen mit höheren Nennleistungen würde der Leistungsverlust eines Festwiderstands jedoch den Gesamtwirkungsgrad wesentlich beeinträchtigen. In diesen Fällen gelten NTC-Thermistoren (Heißleiter) als ICL-Standardlösung für die passive Strombegrenzung für Stromversorgungen mit einer Nennleistung bis etwa 500 W (Bild 2).

In kaltem Zustand (Raumtemperatur) besitzen diese Bauteile einen hohen elektrischen Widerstand, der die Einschaltstromspitze begrenzt. Fließt der Strom, erwärmt sich der NTC, dessen Widerstand sinkt und fällt auf wenige Prozent seines Wertes bei Raumtemperatur ab. Diese besondere Eigenschaft verringert die Leistungsaufnahme des ICL im Dauerbetrieb und sorgt dafür, dass NTC-ICLs ständig in Serie im Stromkreis liegen, auch nachdem der Kondensator geladen ist. Diese Lösung zur Strombegrenzung ist kostengünstig und einfach zu realisieren.

Bei der Entwicklung von Stromversorgungen spielt die Vermeidung von Verlustleistungen eine immer größere Rolle. Steigen die Nennleistungen von über 500 W, werden die Nachteile der passiven Einschaltstrombegrenzung deutlich: Bleibt der ICL in Reihe zur Last geschaltet, dann steigen die von diesem Bauelement verursachten Verlustleistungen übermäßig an. Je höher die Nennleistung des Gerätes, desto größer ist dieser parasitäre Verlust. Bei einem NTC-ICL, der eine Verlustleistung von 1% der Gesamtleistung des Gerätes verursacht, und einer Stromversorgung mit einem Wirkungsgrad von 92% sind somit etwa 12,5% der Gesamtverluste auf den NTC-ICL zurückzuführen.

Verlustarm bei höheren Leistungen

Bei höheren Leistungen wird der ICL nach Abklingen der Einschaltstromspitze üblicherweise mit einem Relais oder Triac überbrückt. Abhängig von der Anwendung kommt in dieser aktiven ICL-Schaltung ein Leistungswiderstand, ein NTC- oder ein PTC-Thermistor (Kaltleiter) zur Strombegrenzung zum Einsatz (Bild 3). PTC-Thermistoren kommen zum Beispiel üblicherweise in On-Board-Ladegeräten (OBC) von Plug-in-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz, bei denen die Leistung in der Regel einige Kilowatt beträgt. Obwohl die Vorteile der aktiven Einschaltstrombegrenzung hauptsächlich bei Nennleistungen von mehr als 500 W zum Tragen kommen, kann dieses Konzept auch bei Anwendungen mit niedrigeren Leistungen einen höheren Gesamtwirkungsgrad erzielen.

Ein weiterer Nachteil der NTCs ist ihre inhärente Temperaturabhängigkeit. Ihr Widerstand ist umso größer, je niedriger die Umgebungstemperatur ist, was den Ladestrom sinken lässt und die Ladedauer verlängert. Hohe Umgebungstemperaturen dagegen beeinträchtigen die Fähigkeit des NTCs, Einschaltströme zu begrenzen, da das Bauelement dann niederohmig ist. Diese Temperaturabhängigkeit kann vor allem bei Anwendungen, die für einen breiten Betriebstemperaturbereich ausgelegt sind, ein Problem darstellen. Eine im Außenbereich installierte Stromversorgung wird sich im Winter in nördlichen Breitengraden beispielsweise niemals so stark erwärmen, dass der NTC-Widerstand weit genug abfällt. Demgegenüber erwärmt sich eine Heißwasser-Umwälzpumpe unter Umständen schon in der Anlaufphase so stark, dass der NTC-Widerstand den Einschaltstrom nicht mehr begrenzen kann.

Die Abkühlzeit eines NTCs liegt je nach Gerät, Installationsart und Umgebungstemperatur typischerweise bei 30 s bis 120 s nach dem Abschalten. Erst nach dem vollständigen Abkühlen ist der NTC-ICL wieder in der Lage, den Einschaltstrom zu begrenzen. In der Regel ist diese Abkühlzeit ausreichend. Bei häufigem, kurzzeitigem An- und Ausschalten oder nach kurzen Stromausfällen ist dies jedoch nicht der Fall. Gerade in diesen Fällen begrenzen PTC-Thermistoren, wie sie beispielsweise Epcos anbietet, den Einschaltstrom wirkungsvoll.

Integrierter Selbstschutz

Unter normalen Betriebsbedingungen reagiert ein PTC wie ein ohmscher Widerstand. Ist die Temperatur des Bauelements beim Einschalten mit der Umgebungstemperatur identisch, besitzen solche ICLs je nach Ausführung einen Widerstand zwischen 20 Ω und 500 Ω. Das ist ausreichend, um die Einschaltstromspitze zu begrenzen. Wenn die DC-Zwischenkreiskondensatoren dann entsprechend geladen sind, wird der PTC-ICL überbrückt.

Bei einer Störung im Ladekreis sorgt der PTC-ICL aufgrund seiner besonderen Eigenschaften für genügend Schutz. Der Stromfluss durch das Bauelement führt dazu, dass sich dessen Temperatur erhöht und der Widerstand erheblich ansteigt. Dank ihrer selbstschützenden Eigenschaften sind PTCs bei folgenden Störungen von großem Vorteil: Kurzschluss am Kondensator und keine Überbrückung des strombegrenzenden Bauelements nach erfolgter Aufladung des Zwischenkreiskondensators (Ausfall des Schaltelements).

All diese Störungen belasten das strombegrenzende Bauelement thermisch. Werden ohmsche Widerstände als ICL eingesetzt, müssen 
sie für diese Art der Störung deutlich überdimensioniert werden, um die entstehende Verlustleistung abzuführen – nicht so PTC-ICLs. Sie nehmen nicht einmal Schaden, wenn sie direkt an die Versorgungsspannung angeschlossen werden. Eine zusätzliche Strombegrenzung ist nicht erforderlich, da derartige ICLs sich selbst schützen. Bei zu hohen Strömen, wie bei einem Kurzschluss, erwärmt sich der PTC und sein Widerstand erhöht sich erheblich. Dadurch senkt er bereits von sich aus den Stromfluss auf unkritische Werte (Bild 4).

PTC-Thermistoren bieten damit in bestimmten Anwendungen als ICL-Bauelemente für die aktive Einschaltstrombegrenzung gleich mehrere Vorteile: 

  • keine Beeinträchtigung der einschaltstrombegrenzenden Funktion durch extreme Betriebstemperaturen, 
  • effektive Einschaltstrombegrenzung sofort nach Ausschalten der Last, denn die Abkühlung erfolgt schon im Normalbetrieb, und 
  • Selbstschutz bei Überströmen durch Fehlfunktionen im Stromkreis.

Über den Autor:

Dr. Stefan Benkhof ist Produkt Marketing Manager PTC Thermistors bei Epcos.