SQF – thermisch geschützer Leistunsgwiderstand von Ty

Der ideale Einschaltstrombegrenzungs-und Ladewiderstand für
anspruchsvolle Leistungselektroniken – Präzise, Schnell, Robust und Fail-Safe
SQF – thermisch geschützer Leistunsgwiderstand von Ty-Ohm – Die
Renaissance des Festwiderstands zur Einschaltstrombegrenzung
Abb.1 – Thermisch geschützte Leistungswiderstände der SQF-Serie von Ty-Ohm
Zur Begrenzung von Einschaltströmen in elektronischen Schaltungen werden Widerstände
verwendet. Dies können entweder temperaturabhängige Widerstände wie z.B. NTC’s
(Heißleiter) oder PTC’s (Kaltleiter) sein. Oder es werden Leistungswiderstände mit einem
konstanten Widerstandswert eingesetzt (Festwiderstände).
Der beim Einschalten eines Geräts auftretende Stromstoß soll mithilfe dieser Widerstände so
begrenzt werden, dass niemals Bauelemente der Schaltung beschädigt werden können (z.B.
Gleichrichter-Dioden) oder Sicherungen ausgelöst werden können. Darüber hinaus soll ein
vollständiges Laden der DC-Zwischenkreis-Kondensatoren gewährleitet werden. Unter allen
denkbaren Einsatzbedingungen erfüllt ein korrekt dimensionierter drahtgewickelter
Festwiderstand diese Aufgaben am präzisesten, und ist dabei auch die schnellste und
robusteste Variante. Jedoch besitzen herkömmliche drahtgewickelte Leistungswiderstände
den Nachteil, dass sie sich im Fehlerfall auf einige hundert Grad °C erhitzen können bevor der
Draht öffnet. Durch dieses Verhalten können nahe Bauelemente oder die Leiterplatte
beschädigt werden.
Diesen Nachteil löst Ty-Ohm mit den thermisch geschützten Leistungswiderständen der SQFSerie, dem idealen Einschaltstrombegrenzungs- und Ladewiderstand in anspruchsvollen
Leistungselektroniken.
Passive Einschaltstrombegrenzung mit NTC’s:
Bei Stromversorgungen mit geringer Leistung werden zur Einschaltstrombegrenzung häufig
NTC’s eingesetzt. Der NTC wird in den Stromkreis eingefügt und verbleibt dort. Beim
Einschalten des Geräts ist ein NTC hochohmig und begrenzt wirksam den Einschaltstrom. Im
Betrieb erwärmt sich der NTC durch seine Leistungsaufnahme und durch die
Umgebungstemperaturen. Dadurch reduziert sich sein Widerstandswert deutlich unter
seinem Referenzwert bei 25°C, mit der Folge einer deutlich geringeren Verlustleistung. Diese
„passive“ Einschaltstrombegrenzung ist einfach und kostengünstig. Jedoch hat sie folgende
Nachteile:
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Der Widerstandswert im Betriebszustand eines NTC’s in Stromversorgungen lässt sich
nicht exakt vorhersagen, da die Temperatur des NTC’s von der durch ihn fließenden
Stromhöhe sowie von der aktuellen Umgebungstemperatur abhängig ist.
Die Abkühlzeit eines NTC’s beträgt je nach Applikation typischerweise zwischen 30
Sekunden und 120 Sekunden. Sollte in dieser Zeit das Gerät wieder eingeschalten
werden, ist der NTC noch niederohmig. Der NTC begrenzt dann den erneuten
Einschaltstrom weniger als beim erstmaligen Einschalten bei Raumtemperatur.
Demzufolge kann es durch ein schnelles Wiedereinschalten nach einem längeren
Betrieb zu einer Schädigung z.B. der Dioden oder zu einem Auslösen der Netzsicherung
kommen.
Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ist der Widerstandswert eines NTC’s
höher als sein Referenzwert bei 25°C. Dies führt zu einem geringeren Ladestrom und
zu einer längere Ladezeit. Dahingegen können sehr hohe Umgebungstemperaturen die
strombegrenzente Eigenschaft des NTC’s reduzieren.
Die Toleranz des R25-Wertes eines NTC’s liegt im Normalfall bei -/+ 20% und kann somit
stark streuen.
In Anwendungen bei denen eine schnelle aktive Entladung der DC-Link Kondensatoren
möglich ist, wie z.B. in Inverter-Antrieben in Geräten der Weißen Ware, kann unter
Umständen die Abkühlzeit des NTC’s nicht ausreichend sein um neue Stromstöße
wirksam begrenzen zu können.
Auch im Falle eines Stromausfalls kann die Abkühlzeit des NTC’s nicht ausreichend
sein, bevor das Gerät seinen Betrieb wieder aufnimmt.
Bei dem Einsatz von Feinsicherungen hilft eine zuverlässige Begrenzung der
Einschaltstromstöße, ein ungewünschtes Auslösen dieser Sicherungen zu vermeiden.
Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit eines NTC’s ist die maximale
Stromstoßhöhe jedoch nicht für alle Anwendungsbedingungen exakt berechenbar.
Alle Bauteile auf der Netzseite einer Stromversorgung sollten eine ausreichende
Festigkeit gegenüber transienten Überspannungen besitzen. Ein NTC ist nicht auf seine
Surge-Festigkeit spezifiziert. Die Keramik des NTC’s kann bei entsprechenden
Überspannungs-Ereignissen ihre Struktur und Eigenschaften verändern, der NTC kann
dann sehr hochohmig werden oder aufbrechen.
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Der NTC ist in Reihe zur Last geschaltet. Der Widerstandswert des NTC’s verringert
sich im Betrieb, beträgt im Bereich zwischen 50°C und 100°C jedoch immer noch einige
Ohm. Die parasitären Verluste sind umso höher, je höher die Nennleistung des Geräts
ist. Verursacht ein NTC eine Verlustleistung von z.B. 1.5% der Gesamtleistung des
Geräts, und hat die Stromversorgung einen Wirkungsgrad von 92%, so ist der NTC für
16% der Gesamtverluste verantwortlich. Diese Gesamtverluste sind tendenziell höher,
je weniger sich der NTC im Betrieb erwärmt.
Aktive Einschaltstrombegrenzung in einem Bypass-System mit PTC’s
Es gibt die Möglichkeit, nach dem Abklingen der Einschaltstromspitze das den Einschaltstrom
begrenzende Bauelement „aktiv“ mit einem Schaltelement (z.B. Relais oder Triac) zu
überbrücken. Dieses Konzept findet vor allem bei Geräten mit hohen Leitungen (> 500W)
Anwendung, oder um bei Geräten mit niedrigen Leistungen einen höheren Wirkungsgrad zu
erzielen. Die Gesamtkosten für dieses Bypass-System sind natürlich höher als eine passive
Einschaltstrombegrenzung mit NTC’s. Jedoch kann dadurch der Energieverbrauch des
Endgeräts deutlich reduziert werden und es können kostengünstigere Schalter sowie
Halbleiter mit geringerer Leistung verwendet werden.
Abb.2 - Bypass-System zur Einschaltstromstoß-Begrenzung. Das dazu verwendete Bauteil kann z.B. ein
NTC, ein PTC oder ein drahtgewickelter Festwiderstand sein.
In diesen Bypass-Schaltungen wird als Einschaltstrom begrenzendes Bauelement häufig ein
PTC (Kaltleiter) eingesetzt. Der Widerstandswert eines PTC’s kann so gewählt werden, dass er
im kalten Zustand den Einschaltstrom wirksam begrenzt. Sobald die DC-ZwischenkreisKondensatoren geladen sind, wird der PTC durch den Schalter überbrückt. Sollte das
Schaltelement ausfallen oder es zu einem Kurzschluss am Kondensator kommen, kommt es zu
einer Erhöhung des Stromflusses durch den PTC. Dies führt zu einer Erwärmung des PTC‘s mit
einem damit verbundenen starken Anstieg seines Widerstandswerts. Der Stromfluss wird
dadurch entsprechend reduziert. Diese Eigenschaft wird auch als Selbstschutz eines PTC’s
bezeichnet. Sobald der PTC abgekühlt ist, kann er wiederverwendet werden.
Der thermisch geschützte drahtgewickelte Widerstand der Serie SQF von Ty-Ohm
Als Alternative zu PTC’s bietet die Firma Ty-Ohm mit der SFQ-Serie eine Serie von thermisch
geschützten Festwiderständen für den Einsatz als Einschaltstrombegrenzer und als
Ladewiderstand an:
Abb.3 - SQF-Festwiderstand von Ty-Ohm
Ein impulsfester drahtgewickelter Widerstand (5) wird mit einer thermischen Sicherung (3) durch Schweißen
verbunden und in ein Keramikgehäuse (1) eingesetzt. Dieses wird mit einem nicht entflammbaren Zement (2)
aufgefüllt. Die Anschlussbeinchen (4) bestimmen das Rastermaß.
Im Fehlerfall (z.B. defektes Schaltelement der Bypass-Schaltung, Kurzschluss im DC-Zwischenkreis-Kondensator
oder Kurzschluss einer der Brückengleichrichter-Dioden) führt der erhöhte Stromfluss durch den Widerstand bei
dem Erreichen einer definierten Temperatur zu einem Auslösen der thermischen Sicherung. Der SQF wird
dadurch sehr hochohmig (> 2MΩ).
Der Widerstandsbereich des SQF’s liegt zwischen 0.1Ω und 50KΩ. Die Nennleistung liegt
zwischen 1W und 12W, der Nennstrom zwischen 1A und 10A.
Die thermische Sicherung des SQF ist mit unterschiedlichen Auslöse-Temperaturen verfügbar,
z.B. 132°C, 145°C, 185°C, sowie auf Anfrage. Sie ist Surge-Spannungsfest und in dem
Keramikgehäuse an den Widerstand so eingebettet, dass jede Temperatur-Veränderung des
Widerstands genau erfasst wird.
Drahtgewickelte Widerstände sind sehr robuste Bauelemente und daher sehr gut für einen
Einsatz auf der Netzseite verwendbar. Der SQF sieht die Verbindung eines drahtgewickelten
Widerstands mit einer thermischen Sicherung, sowie deren Einbettung in einem mit Zement
gefüllten Keramikgehäuses vor. Somit wird nun auch ein „Fail-Safe“ Ausfallverhalten dieses
äußerst robusten Bauelements gewährleistet.
Optional ist der SQF auch ohne Widerstand als geschützte Temperatur-Sicherung verfügbar.
In diesem Fall wird die Temperatur-Sicherung alleine in das Keramikgehäuse eingefügt,
welches danach mit nicht entflammbaren Zement gefüllt wird.
Gemäß desselben Prinzips sind auch geschützte Strom-Sicherungen verfügbar.
Im Vergleich zu einem PTC bietet ein SQF-Festwiderstand folgende Vorteile für die
Einschaltstromstoßbegrenzung und als Ladewiderstand:
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Der Einschaltstrom lässt sich im gesamten Temperaturbereich mittels des
spezifizierten Temperaturkoeffizienten exakt kalkulieren.
Aufgrund des Energie-Transfers beim Laden des DC-Link Kondensators kann ein falsch
dimensionierter PTC noch während des Ladevorgangs hochohmig werden. Dadurch
besteht die Möglichkeit, dass die DC-Link Kondensatoren nicht vollständig geladen
werden. Um dies auszuschließen, werden häufig 2 PTC’s parallel geschaltet, so dass
der Energie-Transfer zwischen beiden Bauteilen aufgeteilt wird.
Dagegen lässt sich bei der Verwendung eines korrekt dimensionierten SQF‘s der
Ladestrom immer exakt bestimmen, ein unvollständiges Laden der Kondensatoren
kann somit ausgeschlossen werden. Die benötigte Anzahl der entsprechenden SQF’s
kann um ca. die Hälfte reduziert werden, um ein vollständiges Laden der DC-Link
Kondensatoren zu gewährleisten.
Eine Verdopplung der PTC’s wird auch für Anwendungen in Erwägungen gezogen, bei
denen es erlaubt sein soll, dass Schaltungen mit hoher Leistung zweimal eingeschaltet
werden können. Dadurch erwärmt sich der einzelne PTC weniger stark während des
erneuten Einschaltens, wodurch ein unvollständiges Laden der Kondensatoren
vermieden werden soll.
Bei der Verwendung von SQF’s ist es aufgrund des stets gleichbleibenden
Widerstandswerts selbst bei wiederholten Einschaltvorgängen nicht nötig, die Anzahl
der Bauteile zu verdoppeln um ein vollständiges Laden der Kondensatoren zu
gewährleisten.
Im Gegensatz zu einem SQF hat ein PTC insbesondere beim Einschaltvorgang eine hohe
Spannungs-Abhängigkeit. Dies muss bei der Berechnung der Höhe der
Einschaltstromstöße berücksichtigt werden.
Aufgrund seiner spezifischen Widerstands-/Temperaturkurve ist der Ladestrom bei
der Verwendung eines PTC’s nicht vergleichbar linear wie bei der Verwendung eines
SQF’s.
Die Toleranz des R25-Wertes eines PTC’s liegt bei -/+25%, somit können die
eingesetzten Teile einer starken Streuung unterliegen.
Wird ein PTC in Anwendungen verwendet, bei denen es bereits in der Anlaufphase zu
hohen Temperaturen kommen kann (z.B. Heißwasser-Umwälzpumpe), kann es zu
geringeren Ladeströmen und längeren Ladezeiten kommen. Diese Betrachtung ist für
einen SQF nicht relevant.
Ein SQF ist deutlich robuster gegen transiente Überspannungsereignisse (Surge) als die
Keramik eines PTC’s. Dieser Aspekt ist nur für die Zeit relevant, für die das Bauteil nicht
durch das Relais überbrückt wird. Jedoch wird die Netzqualität zunehmend
beeinträchtigt, z.B. durch das Schalten induktiver Lasten oder Leistungshalbleiter. Für
ein Bauteil ohne ausreichende Robustheit gegen transiente Überspannungen kann
unter Umständen bereits eine kurze Zeit am Netz bereits zu irreversiblen Schäden
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führen. Die aus solchen Schäden resultierende unvorhersehbar höhere Ohmigkeit
eines PTC’s bei Raumtemperatur führt zu ungewollten geringeren Ladeströmen und
längeren Ladezeiten als bei einem neuen Gerät.
Der SQF kombiniert einen drahtgewickelten Widerstand und eine
Temperatursicherung in einem mit nicht entflammbaren Zement gefüllten
Keramikgehäuse, ein Brand des Bauteils kann ausgeschlossen werden.
Im Fehlerfall (z.B. defektes Relais, kurgeschlossener Kondensator oder Kurzschluss
einer Brückengleichrichter-Diode) wird ein PTC hochohmig und schützt sich dadurch
selbst. Nach dem Abkühlen wird der PTC wieder niederohmig und wiederverwendbar.
Jedoch existiert die Ursache des Fehlerfalls weiterhin und kann unbemerkt bleiben.
Dies kann in der Folge zu weitaus größeren Schäden führen.
Dagegen löst der SQF im Fehlerfall gezielt aus und trennt die Schaltung sicher vom
Netz. Dadurch wird die Gelegenheit gegeben, die Fehlerursache zu lokalisieren und zu
beheben.
Zusammenfassung:
Die Bedeutung einer Energieeinsparung und einer höheren Energieeffizienz nimmt stetig zu.
Daher sollte auch für elektronische Geräte mit kleineren und mittleren Leistungen ein BypassKonzept in Erwägung gezogen werden, um das den Einschaltstromstoß begrenzente
Bauelement während des Betriebs zu überbrücken.
Der ideale Einschaltstromstoßbegrenzungs- und Ladewiderstand lässt sich wie folgt
beschreiben:
Er ermöglicht eine exakte Kalkulation der Einschaltstromspitzen und des Ladestroms der DCLink-Kondensatoren unter sämtlichen Betriebsbedingungen. Ein unvollständiges Laden der
DC-Zwischenkreis-Kondensatoren ist gänzlich ausgeschlossen. Seine gewünschten
Eigenschaften stehen unmittelbar bei sämtlichen Betriebszuständen zur Verfügung. Für den
Einsatz in Leistungselektroniken mit einer langen Lebensdauererwartung ist er äußerst robust.
Im Fehlerfall stellt sich zuverlässig ein definiertes Fail-Safe Ausfallverhalten ein.
Der thermisch geschützte Leistungswiderstand der SQF-Serie von Ty-Ohm vereint alle diese
Eigenschaften. Mit dem SQF stehen nun Einschaltstrombegrenzungs- und Ladwiderstände zur
Verfügung, die bei sämtlichen Betriebsbedingungen nicht nur äußerst präzise, schnell und
robust sind, sondern die darüber hinaus im Fehlerfall die Schaltung sicher vom Netz trennen.
Autor:
Dieter Burger / COMPOTEC
http://www.compotec-electronics.com