Inrush-Limiter on Schallberts Blog

Einschaltstrombegrenzer Teil2

Schallbert — Thu, 10 Feb 2022

Inhalt

In diesem Artikel konzentriere ich mich auf zwei Möglichkeiten, eine Halbleiter-Einschaltstrombegrenzerschaltung zu erstellen: Die eine kopiert den Relais-Ansatz aus Elektronikwissen: Einschaltstrombegrenzer, wobei lediglich das Relais durch einen p-Kanal-MOSFET ersetzt und eine besser definierte Zeitverzögerung hinzugefügt wird. Zum anderen stelle ich einen “linearen” Ansatz vor, bei dem die Stromversorgung schrittweise durch einen PNP-Leistungstransistor eingeschaltet wird.

Motivation: Einschaltstrombegrenzer für USB-PD

Da meine Experimente mit USB-PD für AnywhereAmps vorerst fehlgeschlagen sind, muss ich eine Schaltung erstellen, die den Einschaltstrom in meinem Verstärker begrenzt, bevor ich es erneut versuche.

Schaltungen erläutert

Die beiden Schaltungen sind sich sehr ähnlich. Sie unterscheiden sich eigentlich nur in zwei Komponenten des Leistungsteils. Im Allgemeinen wird die Verzögerungszeit durch eine Vergrößerung des Kondensators C4 oder eine Vergrößerung des Ladewiderstands R9 verlängert.

Eingangsbereich (blau)

Der Eingangsteil verfügt über eine TVS-Diode, um Verpolung oder Überspannung zu vermeiden.

Verzögerungsabschnitt (gelb)

Nach dem Einschalten wird C4 über R9 allmählich aufgeladen. Wenn die Schwellenspannung des NPN-Bipolartransistors Q2 erreicht ist, wird die Spannung hinter R11 langsam reduziert, was wiederum M2, den Leistungspfad dieser Schaltung, aktiviert. R12 wurde hinzugefügt, um einen stabilen Arbeitspunkt für Q2 zu schaffen.

Leistungsteil (grün)

Die lineare Variante hat einen PNP-Leistungstransistor Q1 im Hauptstrompfad (Bild unten). Er wird über Q2 aktiviert, und der Strom, den er liefern kann, wird über R10 gesteuert, der in diesem Fall einen relativ niedrigen Wert hat um hohe Emitter-Kollektor-Ströme zu ermöglichen.

Während die schaltende Variante einen Strombegrenzungswiderstand R8 verwendet, der durch den p-Kanal-Mosfet M2 kurzgeschlossen wird, erfordert seine spannungsgesteuerte Natur keine besondere Sorgfalt bei der Auswahl von R10. Man sollte nur darauf achten, dass seine (negative) Gate-Schwellenspannung sicher eingehalten wird.

Simulierte Last (violett)

Meine Last ist die Endstufenschaltung. Um den Ruhezustand und das Einschaltverhalten zu simulieren, habe ich einen 400Ohm-Widerstand R5 und einen gepolten 1200uF-Kondensator C3 gewählt. Die TVS-Diode schützt vor Überspannung und Rückströmen. Ich habe die Simulationen mit Kondensatorwerten von bis zu 10000uF und Lastwiderständen bis herunter auf 40Ohm ausprobiert, alle mit ähnlichen und guten Ergebnissen.

Schaltungsvergleich

Die dunkelblaue Linie im Diagramm ist wichtig: Sie beschreibt die Ausgangsspannung des Systems im Zeitverlauf. Beide Schaltungen sind so abgestimmt, dass sie die Ziel-Ausgangsspannung nach 0,2 Sekunden erreichen. Dennoch unterscheiden sich die Kurven ziemlich stark, was die unterschiedliche Natur der beiden Ansätze widerspiegelt.

P-CH MOSFET Ansatz

Aufgrund des Schaltvorgangs ist die Einschaltstrombegrenzung zwar wirksam, aber nicht ganz gleichmäßig
die Leistungsverluste sind bei dieser Variante sehr gering, da sowohl der auslösende NPN-Transistor als auch der Leistungs-MOSFET für sich genommen nicht viel Strom verbrauchen.
breiter Einsatzbereich für angeschlossene Geräte, der nur durch den maximalen Dauerstrom des MOSFETs begrenzt wird.

PNP-Leistungstransistor-Ansatz

sehr ruhiger Betrieb, die Einschaltzeit kann aufgrund des großen ohmschen Bereichs des PNP sehr gut gesteuert werden
höhere Leistungsverluste im eingeschalteten Zustand aufgrund des hohen Basisstroms durch R10.
Nicht sehr vielseitig, da hohe Lastströme einen beträchtlichen Spannungsabfall über den Emitter-Kollektor-Pfad von Q1 erzeugen.

Weitere Verbesserungen

Um die Vielseitigkeit dieser Schaltung zu behalten und gleichzeitig eine glatte Spannungskurve zu erreichen, könnte man einen Operationsverstärker verwenden, um den Laststrom zu überwachen und ihn bei Bedarf auf die zulässigen Werte herunterzuregeln. Der Leistungs-MOSFET könnte beibehalten werden, während der Nachteil des engem ohmschen Betriebsbereichs verschwinden würde. Der Preis dafür wäre zusätzliche Komplexität, wie sie in diesem Stackexchange-Beitrag beschrieben wird.

Einschaltstrombegrenzer - Teil1

Schallbert — Sun, 14 Nov 2021

Elektronikwissen: Einschaltstrombegrenzer

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Einschaltstrombegrenzer in Aktion.

Was ist das?

Ein Einschaltstrom ist der Stromstoß, der direkt nach dem Einschalten durch einen Stromkreis fließt, bis der Stromkreis seinen stabilen Zustand erreicht hat. Hohe Einschaltströme sind oft unerwünscht, da sie Schaltungsteile überlasten und deren Lebensdauer verkürzen können, elektromagnetische Störungen verursachen und einen kurzzeitigen Spannungsabfall bewirken, der zu ständigen Neustarts eines gesteuerten Geräts wie hier beschrieben oder zu anderem unerwünschten Verhalten führen kann.

Beispiel

Oszillograf: Einschaltstrom einer Lampe mit Glühfaden ^[1]

Glühlampe: Die rosa Linie ist die Ausgangsspannung des Netzteils, die gelbe Linie zeigt den Strom. Man kann erkennen, dass das Netzteil die Ausgangsspannung verringert, um die Stromaufnahme während des Starts zu reduzieren. Nach etwa 100ms stabilisiert sich die Spannung, da der Stromfluss durch die Lampe immer noch ein wenig abnimmt, während der Glühfaden langsam seine Temperatur erreicht.

Hintergrund

Der Glühfaden des Leutmittels wirkt wie ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC): Bei Raumtemperatur hat er einen sehr niedrigen Widerstand, bei seiner normalen Betriebstemperatur von ~3300K einen viel höheren. Ein kleines Experiment beweist dies: Nehme ich eine “116W”-Halogenglühbirne, so beträgt ihr Widerstand im “eingeschwungenen Zustand” bei 230V etwa \(R_{steady} = \frac{U^2}{P} = 456{Ohm}\). Wenn ich den Widerstand der Lampe im kalten Zustand mit einem Multimeter messe, liegt der Wert bei \(R_{off} = 38.6{Ohm}\). Während durch die Glühlampe im eingeschalteten Zustand ein Strom von \(I_{steady} = 0.5A\) fließt, liegt ihr Einschaltstrom bei etwa \(I_{inrush} = 6A\) - also zwölf mal so hoch!

Einschaltstrombegrenzer-Schaltungen

Einschaltstrombegrenzer werden häufig in Geräten mit großen induktiven oder kapazitiven Lasten eingesetzt. Beispiele (Link zu Texas Instruments) sind Transformatoren, Motoren (induktiv), Leistungsverstärker, Schaltnetzteile (kapazitiv) usw.

Es gibt verschiedene Arten von Einschaltstrombegrenzern (TI application note) mit unterschiedlicher Komplexität.

Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC) / Heißleiter / Thermistor

Ein Einschaltstrombegrenzer als NTC-Widerstand in Reihe zur Last ist die einfachste Schaltung in dieser Aufzählung. Sie besteht aus nur einem zusätzlichen Bauteil. Das Verhalten des NTC-Widerstands gegenüber der Temperatur ist dem des obigen Glühbirnenbeispiels entgegengesetzt: Sein Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab, so dass mehr Strom durch den Stromkreis fließen kann.

Bei den meisten NTCs verhält sich der Widerstand logarithmisch zur Temperatur, er sinkt also sehr stark bei zunehmender Temperatur. So kann er Einschaltstrompulse sehr effektiv unterdrücken. Nachteilig ist der Eigenenergiebedarf, der den Widerstand auf Betriebstemperatur hält. Diese Schaltung wird dort verwendet, wo geringe Kosten wichtig sind, das System einfach gehalten werden soll und der zusätzliche Energieverbrauch kein Problem darstellt.

Widerstand mit Bypass-Relais

Diese Schaltung vermeidet die Nachteile eines zusätzlichen Serienwiderstands zur Last durch Hinzufügen eines Leistungswiderstands und eines Relais. Sie wird typischerweise in Gleichstromversorgungen mit hoher Leistung oder empfindlichen Geräten wie Verstärkern verwendet. Der Relaiskontakt ist im unbestromten Zustand offen und parallel zum Leistungswiderstand verdrahtet, der je nach Last einen Wert von typischerweise “1…22 Ohm” hat. Dahinter wird die Last angeschlossen, die den Einschaltstrom verursacht. Für dieses Beispiel nehme ich die Glühbirne eines Autos als Last. Beim Einschalten des Geräts begrenzt der Widerstand den Stromkreis und die Spannung auf der Lastseite steigt allmählich an. Sobald die Spannung an der Basis des NPN-“BC337”-Transistors hoch genug ist, schaltet er sich ein und lässt Strom durch die Relaisspule fließen, die dann den Leistungswiderstand kurzschließt, so dass die Last ihren Nennstrom ziehen kann.

Die Werte von R2, R3 hängen von der Spannung hinter R1 ab, wenn sich die Schaltung bei ausgeschaltetem Relais im eingeschwungenen Zustand befindet. Des Weiteren ist die Charakteristik des Transistors und der Betriebsstrom der Relaisspule zu berücksichtigen. In meinem Beispiel wählte ich R2 = 1kOhm, da der Transistor ~40mA für den Betrieb des Relais durchlassen muss. Diesen Wert habe ich dem Datenblatt des BC337, Parameter Stromverstärkung, entnommen. Da ich das Relais nicht zu früh schalten lassen wollte, habe ich R3 hinzugefügt. Je höher sein Widerstand, desto früher wird das Relais aktiv. Ein zu geringer Widerstand hingegen reduziert die Basisspannung des BC337 so weit, dass er das Relais nicht mehr treiben kann - hier muss ein wenig experimentiert werden.

In diesem Anwendungsbeispiel für den “Soft Start” eines Ringtrafos (Elektronik-Kompendium) kommt eine ähnliche Schaltung zum Einsatz.

Und so verhält sich der Schaltkreis in der Realität:

Ich habe mir die Freiheit genommen, einen Schalter hinzuzufügen, damit die Steuerung der Stromversorgung für mich bequemer wird. Das Relais ist mit einer Freilaufdiode ausgestattet, um den Transistor vor negativen Spannungsspitzen zu schützen.

Das Problem des Einschaltstroms ist tatsächlich gelöst. Der Vergleich (gelbe Linie) zeigt einen ungeregelten Einschaltstrom von 3.5A, während der Begrenzer ihn auf 0.8A reduziert, was nur knapp über dem Nennstrom liegt. Ein Leistungswiderstand mit kleinerem Wert hätte diesen Strom noch weiter reduziert.

Die grüne Linie zeigt die Basisspannung des BC337 an. Man erkennt, dass sie langsam ansteigt (die Genauigkeit des Oszilloskops ist bei 40VPP nicht die beste) und das Relais einschaltet, wenn sich der Stromfluss (gelbe Linie) stabilisiert hat.

Sanftanlauf / konfigurierbare Strombegrenzung

Es gibt spezielle ICs, die den Sanftanlauf eines Systems unterstützen, je nach

Leistungsbedarf
Hochlaufzeit
Beschränkungen der Anstiegsgeschwindigkeit
Maximalstrom

Darüber hinaus gibt es verschiedene Arten von Einschaltstrombegrenzern, die je nach Anwendung ausgewählt werden können:

Zeitgesteuert: Das System wird nach einer bestimmten Zeit vollständig eingeschaltet (einfach, aber dumm)
Spannungsgesteuert: Das System wird oberhalb eines Spannungsauslösepegels vollständig eingeschaltet (immer noch einfach, mittlere Kosten)
Stromgesteuert: Begrenzt den Systemstrom oder schaltet das System auf der Grundlage eines Stromauslösepegels vollständig ein (wahrscheinlich teurer) Hinsichtlich der Anforderungen des Systems muss dann ein passender IC gewählt werden. Typische Namen sind hier Power Supervisors, IC soft starter, Supervisor & Reset IC oder ähnlich. Sie können intern sogar mit Leistungstransistoren ausgestattet sein und selbsttätig schalten, wie z.B. MAX17562 (Analog Devices) für meine Evolution von AnywhereAmps.

Weiterlesen: Einschaltstrombegrenzer - Teil2

TVS-Dioden

Schallbert — Sat, 13 Nov 2021

Elektronikwissen zur TVS-Diode

Was ist das?

Eine Transient voltage suppressor diode schützt eine Schaltung vor Spannungsspitzen, die deutlich über der Nennspannung des Schaltkreises liegen. Sie sind für verschiedene Auslösespannungen und Ableitströme verfügbar. Zudem gibt es unterschiedliche Typen, wovon einige sogar sowohl vor positiven als auch vor negativen Spannungsspitzen schützen können.

Unterschiede zwischen TVS- und Zenerdioden

Wie Zener-Dioden, werden TVS-Dioden in Sperrrichtung eingebaut. Sie haben sogar dasselbe Symbol.

Doch währen Zenerdioden ihren Arbeitspunkt sehr nahe der Durchbruchspannung haben, werden TVS-Dioden üblicherweise weit darunter betrieben. Somit schließen sie Überspannungsspitzen kurz (Link zu Toshiba) auf für den Schaltkreis ungefährliche Spannungen und sind dafür ausgelegt, sehr hohe Pulsströme ableiten zu können.

Abgrenzung zwischen TVS- and Schottkydioden

Das Symbol für Schottkydioden unterscheidet sich nur geringfügig von Zener/TVS-Dioden. Sie haben in der Regel eine niedrigere Durchlassspannung als ihre Siliziumpendants und sind für ihre schnelle Schaltgeschwindigkeit bekannt. Deshalb werden sie neben Gleichrichterschaltungen auch häufig in Verpolungsschutzschaltungen eingesetzt. TVS-Dioden haben das gleiche schnelle Schaltverhalten und die niedrige Vorwärtsspannung, aber im Gegensatz zu Schottkys haben sie einen genau definierten Schwellenwert für die Sperrspannung und vertragen besonders hohe Pulsströme.

Auswahl der richtigen TVS-Diode

Für Gleichstromanwendungen sollte eine unidirektionale TVS-Diode verwendet werden. Ihre Durchbruchspannung ist so zu wählen, dass sie etwas über der normalen Betriebsspannung liegt. Des Weiteren ist die Klemmspannung relevant, die weiter “unten” auf der Linie des zugehörigen Diagramms abzulesen ist. Liegt sie immer noch unter den “absoluten Maximalwerten” Ihrer zu schützenden Schaltung Schaltung? Wenn nicht ist eine andere TVS-Diode zu wählen oder ein Kompromiss bei der Spannung einzugehen (dabei nicht die Durchbruchspannung des TVS überschreiten). Alternativ kann auch eine andere Vorrichtung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen wie einen spannungsabhängiger Widerstand oder ähnliches verwendet werden.

Strom/Spannungs-Diagramm einer typischen TVS-Diode ^[1]