August 2016

PTC-Thermistoren zur Einschaltstrombegrenzung

Immer auf der sicheren Seite

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 EPCOS PTC-Einschaltstrombegrenzer 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 (Abbildung 1). Zur Begrenzung von Einschaltströmen 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, bei dem der ICL nach Abklingen der Einschaltstromspitze aktiv überbrückt wird. Die beiden Schaltungsprinzipien werden daher auch als passive bzw. aktive ICL-Kreise bezeichnet. Die Auswahl des geeigneten ICL-Konzepts für eine bestimmte Anwendung ist von mehreren Faktoren abhängig. Die wichtigsten Parameter sind die Nennleistung, die Häufigkeit, mit der die Geräte Einschaltströmen ausgesetzt sind, der Betriebstemperaturbereich sowie die Systemkosten.

Abbildung 1: Einschaltstrom mit und ohne ICL

Der Einschaltstrom kann durch ICLs effektiv begrenzt werden. Dies verhindert, dass der Strom einen kritischen Wert überschreitet und die Sicherung auslöst oder den Gleichrichter zerstört.

NTC-Thermistoren zur passiven Einschaltstrombegrenzung

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), siehe Abbildung 2, als ICL-Standardlösung für die passive Strombegrenzung. In kaltem Zustand (Raumtemperatur) besitzen NTC-Thermistoren einen hohen Widerstand, der die Einschaltstromspitze begrenzt. Der Widerstand verringert sich bei Erwärmung durch den Stromfluss 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.

Abbildung 2: Passive Einschaltstrombegrenzung mit einem NTC-ICL

Da der anfangs hohe Widerstand eines NTC-Thermistors (Heißleiter) mit steigender Temperatur auf einen vernachlässigbaren Wert absinkt, eignet sich das Bauelement als ICL-Standardlösung für Stromversorgungen mit einer Nennleistung bis etwa 500 W.

Verlustarm bei höheren Leistungen

Bei der Entwicklung von Stromversorgungen spielt die Vermeidung von Verlustleistungen eine immer größere Rolle. Bei 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 Prozent der Gesamtleistung des Gerätes verursacht, und einer Stromversorgung mit einem Wirkungsgrad von 92 Prozent sind somit etwa 12,5 Prozent der Gesamtverluste auf den NTC-ICL zurückzuführen.

Aktive Einschaltstrombegrenzung

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 (Abbildung 3). Zum Beispiel werden PTC-Thermistoren üblicherweise in On-Board-Ladegeräten (OBC) von Plug-in-Hybrid- oder Elektrofahrzeugen eingesetzt, bei denen die Leistung in der Regel einige kW 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.

Abbildung 3: Aktive Einschaltstrombegrenzung

Bei der aktiven Einschaltstrombegrenzung kann ein Festwiderstand, ein NTC- oder ein PTC-Thermistor als ICL-Bauelement zum Einsatz kommen.

PTC-Thermistoren als ICL

Unter bestimmten Bedingungen bieten PTC-Thermistoren als ICL-Bauelemente deutliche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Lösungen. Grund dafür ist das unterschiedliche Temperaturverhalten des Widerstands von PTC- und NTC-ICLs: Je niedriger die Umgebungstemperatur, desto größer ist der Widerstand eines NTC-ICL, was einen niedrigeren Ladestrom und eine längere Ladedauer zur Folge hat. Hohe Umgebungstemperaturen dagegen beeinträchtigen die Fähigkeit des NTC-ICL, 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 NTC-Thermistors liegt je nach Gerät, Installationsart und Umgebungstemperatur typischerweise bei 30 bis 120 Sekunden 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 bieten die EPCOS PTC-Thermistoren eine wirkungsvolle Begrenzung des Einschaltstroms.

Integrierter Selbstschutz

Unter normalen Betriebsbedingungen reagiert der PTC-ICL wie ein ohmscher Widerstand. Ist die Temperatur des Bauelements beim Einschalten mit der Umgebungstemperatur identisch, besitzen PTC-ICLs je nach Ausführung einen Widerstand zwischen 20 Ω und 500 Ω. Das ist ausreichend, um die Einschaltstromspitze zu begrenzen. Wenn die DC-Zwischenkreis-Kondensatoren 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 PTC-ICLs bei folgenden Störungen von großem Vorteil:

– Kurzschluss am Kondensator
– Keine Überbrückung des strombegrenzenden Bauelements nach erfolgter Aufladung des Zwischenkreis-Kondensators (Ausfall des Schaltelements).

All diese Störungen bewirken eine thermische Belastung des strombegrenzenden Bauelements. 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 PTC-ICLs selbstschützend sind. Bei zu hohen Strömen, wie bei einem Kurzschluss, erwärmt sich der PTC-ICL und sein Widerstand erhöht sich erheblich. Dadurch senkt er bereits von sich aus den Stromfluss auf unkritische Werte (Abbildung 4).

Abbildung 4: Stromkurve bei kurzgeschlossenem Kondensator

Bei einem Kurzschluss im Zwischenkreis fällt der Strom, der durch den keramischen PTC-Thermistor fließt, sehr schnell auf unkritische Werte ab (blau). Bei einem ohmschen Widerstand bleibt die Stromstärke jedoch sehr hoch (rot).

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, Abkühlung erfolgt schon im Normalbetrieb
– Selbstschutz bei Überströmen durch Fehlfunktionen im Stromkreis

Dank der breiten Palette von EPCOS PTC-ICLs ist es möglich, Stromversorgungen auch unter anspruchsvollen Temperaturbedingungen zuverlässig vor hohen Einschaltströmen und Kurzschlüssen zu schützen. Die Tabelle zeigt eine repräsentative Auswahl von PTC-ICLs, die im Musterkit „Einschaltstrombegrenzer: Selbstschützende PTC-Widerstände“ (Bestellnummer: B59003Z0999A099) enthalten sind.

EPCOS PTC-Einschaltstrombegrenzer in robustem Kunststoffgehäuse

Tabelle: EPCOS PTC-ICLs im Musterkit, SMD-PTC-Thermistoren für den Schutz vor Überströmen

BestellnummerVmax
[V AC]
Vlink, max.
[V DC]
RR
[Ω]
Cth
[J/K]
Im
Musterkit
AEC-
Q200
Im Kunstoffgehäuse
B59213J0130A020            280400331,1x
B59215J0130A020280400222,3xx
B59217J0130A020400620562,3xx
B59219J0130A0205608001002,3xx

B59105J0130A020

280400222,3
B59107J0130A020440620562,3
B59109J0130A0205608001002,3
Bedrahtete Scheibe, beschichtet
B59770C0120A070260370700,4
B59771C0120A0702603701200,6
B59772C0120A0702603701500,6
B59750C0120A070280400251,0xx
B59751C0120A070280400501,4x
B59752C0120A070280400801,4
B59451C1130B070440620562,1xx
B59753C0120A0704406201201,4x
B59754C0120A0704406201501,4x
B59773C0120A0704406205000,6x
B59774C0115A07044062011000,6
B59412C1130B0704806801202,1xx
B59755C0115A0705608005001,4

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