Der ideale Ladewiderstand für anspruchsvolle

Der ideale Ladewiderstand für anspruchsvolle
Leistungselektroniken – Präzise, Schnell, Robust und Fail-Safe
SQF – thermisch geschützer Leistunsgwiderstand von Ty-Ohm – Die
Renaissance des Festwiderstands
Bild 1 – Thermisch geschützte Leistungwiderstände 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 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 TyOhm mit den thermisch geschützten Leistungswiderständen der SQF-Serie, dem idealen
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 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 25C. Dies führt zu einem geringeren Ladestrom und zu
einer längere Ladezeit. Dahingegen können sehr hohe Umgebungstemperaturen die
strombegrenzente Eigenschaft des NTC’s reduzieren.
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 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 ÜberspannungsEreignissen ihre Struktur und Eigenschaften verändern und zunehmend hochohmig
werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Verlustleistung des NTC’s und zu einer
Reduzierung des Wirkungsgrads des Endgeräts im Betrieb.
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
nahezu 20% 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 mit einem Schaltelement (z.B. Relais oder Triac) „aktiv“ 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.
Bild 2: Bypass-System zur Einschaltstromstoß-Begrenzung. Das dazu verwendete Bauteil kann z.B. ein NTC, ein
PTC oder ein drahtgewickelter Festwiderstand sein.
Als Einschaltstrom begrenzendes Bauelement wird dabei 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-Zwischenkreis-Kondensatoren geladen sind,
wird der PTC 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.
Als Alternative zu PTC’s stellt Ty-Ohm mit der SFQ-Serie nun eine Serie von thermisch
geschützten Festwiderständen für die Einschaltstrombegrenzung und als Ladewiderstand vor:
Abb.1. SQF-Festwiderstand von Ty-Ohm
Ein impulsfester drahtgewickelter Widerstand (1) 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 oder Kurzschluss im DC-Zwischenkreis-Kondensator) führt der erhöhte Stromfluss durch den
Widerstand bei dem Erreichen einer definierten Temperatur zu einem Auslösen der thermischen Sicherung.
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 immer exakt kalkulieren, im gesamten
Temperaturbereich.
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 hat ein SQF
in jedem Betriebszustand denselben Widerstandswert, der Ladestrom lässt sich exakt
bestimmen und ein unvollständiges Laden der Kondensatoren kann 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 Elektroniken mit hoher Leistung zweimal eingeschaltet
werden können. So 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 auch bei wiederholten
Einschaltvorgängen nicht nötig, die Anzahl der Bauteile zu verdoppeln um ein
vollständiges Laden der Kondensatoren zu gewährleisten.
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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.
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 Überspannungsereignisse (Surge, Burst) 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 Surge und Burst kann unter
Umständen bereits eine kurze Zeit am Netz bereits zu irreversiblen Schäden führen.
Die aus solchen Schäden resultierende 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 oder kurgeschlossener Kondensator) 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. Der SQF löst 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 Einschaltstromstoßbegrenzende 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 unmittelbar ein Fail-Safe Ausfallverhalten ein.
Der thermisch geschützte Leistungswiderstand der SQF-Serie von Ty-Ohm vereint alle diese
Eigenschaften. Mit dem SQF stehen nun 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