Wer hat nicht schon auf der Produktion den Sicherungsautomaten drei, vier Mal schnell hintereinander eingeschaltet: Endlich sollen die Geräte in der Linie eingeschaltet bleiben! Den Nenn-Strombedarf der Geräte auf einer Phase hatten wir doch richtig berechnet, sogar noch mit „Luft“ für ein oder zwei Geräte mehr. Und dennoch: Wenn man die Linie einschaltet, springt der Sicherungs-Automat sofort wieder raus. Steckt man dagegen ähnliche Geräte aus der gleichen Leistungsklasse eines anderen Herstellers ein, hält die Sicherung komischerweise schon beim ersten Einschaltversuch. Was ist da eigentlich los?
(Bild: (c) 2021 oo3asy60lfoo/Shutterstock)
Wie viele Geräte kann man denn nun an einen Sicherungsautomaten anschließen? In der Veranstaltungstechnik wird meist das „Trial and Error“-Verfahren angewendet – man lernt aus den Erfahrungen. Schauen wir uns dagegen den Architekturbereich an: Dort hat man natürlich keine Chance, beim Zuschalten der Deckenlampen und Auslösen der Sicherung mal eben nachträglich eine zweite Leitung zu ziehen, um den Einschaltstrom auf zwei Leitungen bzw. Sicherungsautomaten zu verteilen. Dort wird im Vorfeld nachgesehen, welche Lampe welchen Einschaltstrom verursacht. Entsprechend werden die Leitungen unter Putz gelegt, die Verteiler entsprechend ausgerüstet oder andere Maßnahmen ergriffen. Doch wieso ist beim Einschalten der Strom überhaupt höher als im Betrieb?
Beim Einschalten ist es bedeutsam, welche Art von Last geschaltet wird. Halogenlampen besiegeln ja meist gegen Ende ihrer Lebenszeit gerade beim Einschalten mit einem blitzähnlichen Aufleuchten ihr Ableben. Die Ursache hier ist der hohe Strom, der in dem Moment durch den Wolframdraht fließt. Beim Einschalten, wenn der Wolframdraht noch Umgebungstemperatur aufweist, ist er wesentlich niederohmiger als danach im Betriebszustand mit 3200K.
Dazu eine kurze Exkursion: Die Farbtemperatur wird in Kelvin (K) angegeben und entspricht bei einem idealen schwarzen Körper der wahren Temperatur in Grad Celsius (°C). Da die Temperatur historisch bedingt nicht bei Null beginnt, sondern bei -273,15 °C, ist diese Differenz zwischen Kelvin und Grad Celsius einzurechnen. Weiterhin handelt es sich bei Wolfram nicht um einen idealen schwarzen Strahler, sondern um einen realen „grauen“ Stoff, so dass die Farbtemperatur höher als seine wahre körperliche Temperatur ist. Bei 3000K macht dies ca. 60-80 °C aus. Weiterhin hat Wolfram eine Leitfähigkeit 18,2 und einen Temperaturbeiwert von 0,0044. Die Wendellänge für 230 V entspricht ca. 1 m und der Querschnitt der Wendel (hier z. B. 0,0072 mm2) bestimmt letztendlich die Leistung. Nun rechnen wir nach der Formel den Widerstand des Wolframdrahtes für ein PAR-64-Halogenleuchtmittel im kalten Zustand und im warmen Zustand aus. Dazu setzen wir die Werte in folgenden Formeln ein:
R = l / (γ ⋅ S)
Widerstand in Abhängigkeit vom Material
Rw = Rk ( 1 + a · Δt)
Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur
mit R = Widerstand in Ω L = Länge in m S = Leiterquerschnitt in mm2 g = Leitfähigkeit in m / Ω mm2 a = Temperaturbeiwert (bei 20°) in 1/K Δt = Temperaturänderung in K Rw= Warmwiderstand in Ω Rk = Kalt-Widerstand in Ω
Wir erhalten für ein 500-Watt-Leuchtmittel einen Widerstand von 7,6 Ohm bei 20 °C. Bei einer Betriebstemperatur von 3200K werden daraus 108 Ohm. Nimmt man die nominalen Betriebsparameter, das heißt ein mit 3200K abstrahlendes Leuchtmittel, so wird bei 108 Ohm und einer Versorgungsspannung von 240 Volt nach obiger Formel ein Strom von 2,2 Ampere fließen. Werden aber dem auf Raumtemperatur abgekühlten Leuchtmittel die 240 Volt angelegt, so folgt ein theoretischer Strom von 31,6 Ampere!
Folgende Bilder zeigen die Messungen an einem PAR 64 mit 500-W-Leuchtmittel. Hier ist bei einem drei Perioden langen Verlauf deutlich zu sehen, wie mit der Erhitzung des Leuchtmittels der Strom abflacht. Auch der Einschaltpunkt, wann die Spannung zugeschaltet wird, hat erheblichen Einfluss auf die Höhe des Einschaltstromes.
Messungen an einem PAR 64 mit 500-W-Leuchtmittel
Bild: Herbert Bernstädt
Halogenleuchtmittel-Spitzenstrom – Der Stromverlauf über drei Perioden verdeutlicht die Stromflussabnahme durch die Erhitzung des Halogenleuchtmittels, der Spitzenstrom wird mit 31 A bei 90° Zuschaltung angezeigt
Bild: Herbert Bernstädt
Im Nulldurchgang zugeschaltete, alte Halogenlampe, Einschaltstrom gerundet 9 A
Bild: Herbert Bernstädt
Kalte Halogenlampe bei 45° Phasenwinkel zugeschaltet – Einschaltstrom gerundet 23 A
Bild: Herbert Bernstädt
108 Ohm hat eine 500-W-Halogenlampe im erwärmten Betrieb nach U/I=R
Zur Vermeidung des hohen Einschaltstroms der Halogenleuchtmittel (und für ein direkteres Ansprechverhalten) bieten die meisten Dimmer daher eine „Preheat“-Funktion an, mit der das Leuchtmittel mittels kleiner Leistung immer aufgeheizt bleibt, ohne dass die Wendel bereits Licht emittiert.
Erst mal fein raus aus der Einschaltstromproblematik sind viele andere Scheinwerfer: Wenn sie einen Transformator oder Spule, Drossel, Filter, Induktivität oder Englisch „Choke“ – um nur einige der Bezeichnungen zu nennen – als Spannungswandler oder Strombegrenzungsbauteil aufweisen. Nach dem Einschalten einer Spannung wird in der Spule durch den beginnenden Stromfluss ein Magnetfeld aufgebaut. Eine Magnetfeldänderung bewirkt aber auch eine Spannung (die Selbstinduktionsspannung), die der anliegenden Spannung entgegenwirkt. Je steiler die Stromänderung (di/dt) ist, umso größer ist das erzeugt Magnetfeld und umso größer ist die Gegenspannung. Damit werden das schnelle Ansteigen des Stromes und der Aufbau des Feldes verzögert.
Auswirkung konventioneller Vorschaltgeräte
Bild: Hebert Bernstädt
Selbstinduktionen einer Spule verzögern den Stromanstieg, damit ist im Einschaltmoment nicht von einer größeren Stromstärke auszugehen
Bild: Herbert Bernstädt
HQI-Leuchte mit konventionellem Vorschaltgerät Blau die Spannung, gelb der Strom – sehr schön ist das Nacheilen des Stromes während des Betriebs zu sehen bei einem CosPhi von 66 bei 237V URMS , 1,86A IRMS und einer gemessenen Wirkleistung von 180 W
Bild: Herbert Bernstädt
Strom und Spannungsverlauf bei Zuschalten im Scheitelpunkt der Spannung – Da zum Zünden einer Entladungslampe weitere Energie notwendig ist, folgt auch beim Einschalten ein höherer Strom, der sich aber nicht sprunghaft ändert
Die Folge ist, dass die Spule dafür sorgt, dass der Strom sanfter ansteigt, als es ohne Spule der Fall wäre. Bei einer Entladungslampe sprechen wir dann von einem magnetischen Ballast (auch als KVG wie Konventionelles Vorschaltgerät abgekürzt). Dies ist die veraltete Art, den Stromanstieg bei Entladungslampen zu begrenzen.
mit uind = -L* dI/dt
uind = induzierte Spannung (V) L = Induktivität (H =Vs / A) dt = infinitesimales Zeitintervall (s) dI = Änderung der Stromstärke (A)
Statt schwerer, teurer Kupfer-Transformatoren verwendet man heute Schaltnetzteile. Sie leisten auch bei wechselnden Eingangsspannungen und Frequenzen eine konstante Ausgangsspannung unter verschiedenen Lastbedingungen. Folglich sind auch fast alle LED-Scheinwerfer und Movingheads heute in der Regel mit Schaltnetzteilen bestückt. Dennoch haben wir es mit erhöhten Einschaltströmen zu tun.
Vergleich der verschiedenen Ströme zum Einschaltzeitpunkt bei unterschiedlichen Lastarten
HQI 180W
PAR 64 500W
LED-Fresnel 128W
Zero Cross
6 A
9 A kalt
7 A
On bei 45°
3,5 A
23 A kalt
20 A
On bei 90°
9 A
34 A kalt
55 A
Dauer-Betrieb
1,9 A
2,2 A kalt
0,4 A
Doch wie funktioniert ein Schaltnetzteil und warum folgt ein erhöhter Einschaltstrom? Noch einmal zurück zum „Kupfer“: Je schneller die Stromänderung, umso höher fällt das Magnetfeld aus. Dies hatte man sich z. B. auch in der Luftfahrt zunutze gemacht und betreibt dort die Bordnetze mit 400 Hz. Das bedeutet ein höheres di/dt und folglich auch ein größeres Magnetfeld. Folglich kann man die Geometrie der Transformatoren kleiner halten, wodurch man eine erhebliche Gewichtsersparnis erhält. Heute kommen aber selbst die kleinsten Steckernetzteile ohne Transformatoren aus – meint man.
Grundprinzip eines Schaltnetzteils Die Kapazität C1 im Zwischenkreis sollte groß sein, um genügend Energie zu speichern, damit immer genügend Spannung für eine konstante Ausgangsspannung vorhanden ist – egal wie stark die Eingangsspannung schwankt (Bild: Herbert Bernstädt)
Dies ist jedoch nur oberflächlich betrachtet so. Denn bei einem Schaltnetzteil wird die Netzspannung gleichgerichtet, dann die Gleichspannung mit einer sehr hohen Frequenz „zerhackt“. Mit der hohen Frequenz (im kHz-Bereich) hat man nun ebenfalls eine sehr schnelle Stromänderung (di/dt). Jetzt benötigt man nur noch einen wirklich sehr kleinen Trafo für die Energieübertragung. Auf der Sekundärseite wird die Spannung wieder gleichgerichtet und steht für den Verbraucher als Gleichspannung zur Verfügung. Hier erkennen wir auch die Ursache des hohen Einschaltstromes: Zum Puffern der Gleichspannung auf der Primärseite wird eine große Kapazität eingesetzt. War der konventionelle Transformator eine L-Last, zeigt sich das elektronische Schaltnetzteil als kapazitive C-Last. Dass ein großer Kondensator im Eingangskreis vorhanden ist, bedeutet auch, dass dieser Kondensator beim Einschalten erst mal richtig aufgeladen werden will und entsprechend Strom zieht.
Der Kondensator saugt ähnlich einem Kurzschluss erst einmal Strom auf sobald eine Spannung anliegt und ist somit ebenfalls Ursache eines hohen Einschaltstroms (Bild: Herbert Bernstädt)
Schließt man den Kondensator an eine Gleichspannung an, so fließt sofort ein Strom, um einen Belag mit Elektronen zu fluten, während am anderen Belag entsprechend Elektronen abgesaugt werden. Dabei baut sich eine Spannung zwischen den Belägen auf bzw. das elektrische Feld. Mit Anlegen der Spannung folgt ein Anstieg der Spannung, bis das Potential der anliegenden Spannung erreicht wird. Mit Erreichen des gleichen Potentials hört auch der Stromfluss auf. Der Kondensator sperrt nach dem Aufladen den Gleichstrom. Für das Aufladen benötigt der Kondensator auch Zeit. Im ersten Moment schießt der Strom in die Höhe, um dann immer weiter in einer E-Funktion kleiner zu werden.
C ⋅ U = Q
mit C = Kapazität (F=As/V) Farad Q = elektrische Ladung (As) Ampere Sekunden U = Spannung (V) Volt
τ = R * C
mit C = Kapazität (F=As/V) Farad R = Widerstand (Ω) Ohm τ = Zeitkonstante (s) Sekunden
Gemessen haben wir dazu einen 128-Watt-LED-Fresnelscheinwerfer mit Schaltnetzteil. Hier ist bei einem drei Perioden langem Verlauf deutlich zu sehen, wie nur in der ersten Halbwelle ein sehr hoher Strom gezogen wird. Bei den weiteren Halbwellen wird nur noch die entnommene Energie nachgezogen. Die Dauer des Ladevorgangs des Kondensators liegt im Bereich von Millisekunden und damit unter der halben Periodendauer der Netz-Wechselspannung. Der Einschaltpunkt, wann die Spannung zugeschaltet wird, hat erheblichen Einfluss auf die Höhe des Einschaltstroms, wie es bei den weiteren Messbildern ersichtlich wird, die nun über nur eine Halbwelle aufgezeichnet wurden. Deshalb ist es sinnvoll, den Einschaltstrom mit Einschalten der Versorgungsspannung im Scheitelpunkt – also im ungünstigsten Fall – anzugeben, wenn man sicher sein will, dass die Sicherung auch hält bzw. das Einschalten nicht zum Lotteriespiel wird.
Messungen am 128-Watt-LED-Fresnelscheinwerfer mit Schaltnetzteil
Stromverlauf über drei Perioden – Das Schaltnetzteil hat die Energie für den Zwischenkreis innerhalb der ersten Halbwelle komplett aufgesaugt
Schaltnetzteil bei 0° Phasenwinkel zugeschaltet Der Einschaltstrom beträgt gerundet 7 A
Bild: Herbert Bernstädt
Zero-Cross Zuschaltung – Der Stromimpuls mit 50% Schnittpunkt-Definition dauert hier 1,6 ms
Bild: Herbert Bernstädt
Schaltnetzteil bei 45° Phasenwinkel zugeschaltet Der Einschaltstrom beträgt gerundet 20 A
Bild: Herbert Bernstädt
Bei Zuschaltung nach 45° dauert der Stromimpuls mit 50% Schnittpunk-Definition ebenfalls 1,6 ms
Definition der Zeitspanne für den Impuls Ipeak / Δt für die Berechnung des Schmelzintegrals oder für die Korrekturfaktor-Kennlinie des Sicherungsherstellers (Bild: Herbert Bernstädt)
Wie kann man nun den Einschaltstrom (eng. Inrush Current) am besten beschreiben? Wir haben in den Messungen gesehen, dass innerhalb der ersten Halbwelle der Versorgungsspannung der Einschaltstrom den höchsten Wert annimmt. Weiter kann man sehen, dass Schaltnetzteilen bei den folgenden Halbwellen nur noch den Betriebsstrom benötigten. Insbesondere bei modernen Scheinwerfern findet direkt nach dem Einschalten zuerst ein Bootvorgang der Steuerungsplatine bzw. der Reset-Vorgang bei Movinglights statt. Wenn der Dimmer anschließend auf 100% hochgefahren wird, erfolgt kein kurzschlussmäßiger Einschaltstrom, sondern ein proportional wachsender Strom zur Versorgung. So gesehen reicht es, wenn man den Maximalstrom für die erste Halbwelle angibt, so wie man es z. B. auch bei einigen Scheinwerfer-Datenblättern üblich ist. Möchte man genau berechnen, wann eine Sicherung anspricht, so benötigt man das Schmelzintegral (I² ⋅ t). Dieses Integral vom Strom zum Quadrat mal der Zeit entspricht der Energie, die von der Sicherung aufgenommen werden kann. Folglich reicht für die Berechnung nach dem Schmelzintegral die Angabe der Zeit und des maximalen Stroms. Während der Maximalstromwert einfach als Peak-Wert zu ermitteln ist, wird die Zeit als Zeitspanne zwischen beiden 50% des Strompeaks angegeben. Diese Zeitspanne ist ebenfalls wichtig, um im Datenblatt des Sicherungsherstellers einen Korrekturfaktor einsetzen zu können, wenn die Impulsdauer unterhalb von 10 ms liegt, da hierfür ein weiteres Diagramm vom Sicherungshersteller zur Verfügung gestellt wird.
Herstellerangaben für Einschaltströme
Bild: Datenblatt ETC S4 LED-Serie
Angabe des Einschaltstroms innerhalb von 10ms
Bild: Datenblatt Tridonic LC 75W
Angabe des Einschaltstroms in einem technischen Datenblatt aus dem Architekturbereich mit Zeitangabe des Impulses, damit lassen sich die Korrekturfaktoren der Sicherungskennlinien anwenden
Prinzipschaltbild: Am wichtigsten zur Ermittlung des Einschaltstromes bei Schaltnetzteilen ist die Zuschaltung der Versorgungsspannung im Scheitelpunkt der Spannung; danach kann über bildgebende Messgeräte (Oszilloskop) oder Strommesser mit Spitzenwertangabe der maximale Einschaltstrom ermittelt werden (Bild: Herbert Bernstädt)
Wer viel misst, misst Mist – einer der Lieblingssprüche der Elektriker. Nicht jedes Messgerät, das den Inrush als Wert angibt, zeigt auch zuverlässig den richtigen Einschaltstrom an. Variable Spannungsquellen, die man zur Ermittlung der Daten für verschiedene Betriebsspannungen wie 90 V, 110 V, 220 V, 240 V oder 50 oder 60 Hz umstellen kann, können evtl. einen Inrush Current anzeigen. Dieser wird jedoch durch die eigene interne Spannungsaufbereitung verfälscht. Wenn man ein Strom- oder Leistungsmessgerät benutzt, welches den Inrush Current angibt, dann ist auch hier Vorsicht geboten. Diese sind in der Regel für die Anlassströme von Motoren ausgelegt, wo der Anlassstrom über mehrere Perioden lang ermittelt wird und der Einschaltpunkt nicht definiert ist. Und damit haben wir auch schon das Problem: Bei Schaltnetzteilen ist von Bedeutung, zu welchem Phasenwinkel die Spannung zugeschaltet wird. Die Spannungszuschaltung muss im Scheitelpunkt der Spannung erfolgen, also bei 90° Phasenwinkel. Hier ist der größtmögliche Einschaltstrom zu erwarten. Hinzu kommt eine weitere Besonderheit der Schaltnetzteile: Der Zwischenkreiskondensator speichert nach dem ersten Einschalten die Energie. Deshalb ist das schnelle Hintereinandereinschalten der Sicherung oftmals auch von Erfolg gekrönt. Beim zweiten oder dritten Versuch konnten sich die Zwischenkreise der Schaltnetzteile aufladen. Damit wird der Einschaltstrom geringer bzw. liegt dann unter der Auslöseschwelle des Sicherungsautomaten.
Das ist jetzt aber keine Anleitung, wie man es machen soll!
Im Gegenteil: sonst beschert man dem Automaten mit überhöhten Strömen auf den Kontakten einen frühzeitigen Verschleiß. (Abgesehen davon – hatten wir schon erwähnt, dass Sicherungsautomaten nicht zum Schalten verwendet werden dürfen? Es ging ja auch nur darum, warum beim Zuschalten über den Hauptschalter einige Sicherungen fallen.)
Um den Einschaltstrom zu messen, benötigt man also eine im 90°-Phasenwinkel zuschaltbare Spannungsquelle mit einer starren Versorgungsspannung, wie es er Energieversorger üblich zur Verfügung stellt. Wenn man diese Hürde genommen hat, kann man über einen Shunt oder Stromzange und Oszilloskop den Stromverlauf mit dem Spitzenwert sowie die oben beschriebene Zeitspanne ablesen. Oder man nutzt einen Power Analyser, der einem auch den Stromverlauf und die Spitzenwerte anzeigen kann.
Messaufbau zur Einschaltstrommessung (Bild: Herbert Bernstädt)
Leitungsschutzschalter, LS-Schalter oder MCB (magnetic circut breaker) dienen zum Schutz vor Überlastströmen und Kurzschlüssen. Dafür weisen sie zwei unterschiedliche Auslöser auf: Einen zeitverzögerten thermischen Auslöser, der bei Überschreitung der Nennstromstärke ein Bimetall erwärmt, welches sich verbiegt und damit auslöst. Der Überlastschutz hilft uns beim Einschaltstrom nicht weiter, jedoch der elektromagnetische Schnellauslöser mit Schlaganker für den Kurzschlussschutz, der sehr wohl auf einen Einschaltstrom reagiert. Fließt durch die Spule des Schlagankers ein zu hoher Strom, so zieht der Elektromagnet einen Eisenstab in das Spuleninnere und löst damit aus. Und wieder sehen wir den Zusammenhang zwischen di/dt und Magnetkraft. Natürlich kann man die Charakteristik der Auslösung definieren und so gibt es mehrere Typen zur Auswahl (siehe Tabelle).
Wir picken uns exemplarisch ein Datenblatt eines C-Automaten heraus. Die Grenzkennlinien, die mit „(1) kalter Zustand“ gekennzeichnet sind, charakterisieren die thermische Auslösung und interessieren uns beim Einschaltstrom nicht. Uns interessiert der Bereich, der unter (AC) angezeigt wird. Wir erkennen, dass der Auslösestrom, der auf der X-Achse aufgetragen ist, fünf bis zehn mal so hoch sein kann, bevor der Schlaganker auslöst. Wenn also der Sicherungsautomat für einen Schuko-Abgang mit einem Bemessungsstrom von 16 A ausgewählt wurde, dann kann der Einschaltstrom 5 bis 10 mal so hoch sein. Folglich könnte man so viele Geräte auf der Leitung anschließen, bis 80 A Einschaltstrom zusammenkommen und bevor der Automat auslöst. Diese Betrachtung befindet sich aber innerhalb eines Zeitfensters von einer Halbwelle (20 ms) bis ca. einer Sekunde.
Typisches Sicherungsautomaten-Diagramm mit der Angabe auf der x-Achse, die das Vielfache des Bemessungsstroms angibt (Bild: ABB-Datenblatt der Sicherungsautomaten Baureihe S200, ...)
Betrachten wir uns das Datenblatt des LED-Scheinwerfers, worin steht: 107 A innerhalb der ersten Halbwelle. Das entspricht 10 ms, und wir sehen, dass bei 10 ms bereits der sechsfache Bemessungsstrom zu Grunde gelegt werden kann. Damit erreichen wir 96 A, was aber immer noch weniger als 107 A ist. In der Praxis wissen wir, dass die Sicherung bei einem Scheinwerfer dieser Klasse in der Regel nicht fällt. Einmal, weil das Einschalten zufallsbedingt selten im Scheitelpunkt erfolgt und somit der Strom auch kleiner sein wird. Die Toleranz des Automaten lässt auch höhere Faktoren zu wie das 10fache. In der Regel wird bei unserem Beispiel der Automat halten, muss aber nicht.
Nun haben wir in unseren Messungen gesehen – und dies ist allgemein auch bei Schaltnetzteilen üblich – dass die Dauer des Ladevorgangs des C1-Zwischenkreis-Kondensators im Bereich einer Millisekunde liegt. Damit liegt sie weit unter der halben Periodendauer der Netz-Wechselspannung bzw. des typischen Sicherungsautomaten-Diagramms. Nun schauen wir genauer hin und ziehen ein weiteres Diagramm zu Hilfe. Dort haben wir die uns interessierenden Zeiten unterhalb 10 ms, wo das vorige Diagramm bereits endete. Jedoch gibt dieses Diagramm einen Korrekturfaktor an. Nehmen wir z. B. das Beispiel des Einschaltstroms innerhalb einer Halbwelle, so ist der Korrekturfaktor 1. Bei 10 ms. muss das Gleiche erfolgen wie im vorigen Diagramm bei 10 ms bzw. 0,01 Sekunden. Betrachten wir uns aber die technischen Daten des LED-Treibers für Architekturanwendung, so lesen wir „25,8 A mit 280 μs“. Nun können wir das Korrekturdiagramm anwenden: Gehen wir bei 280 μs in Y-Richtung hoch, schneiden wir die Kennlinie beim Korrekturfaktor 9. Jetzt können wir rechnen: 16 A der Sicherungs-Bemessungsstrom. Mit C-Charakteristik kann der Einschaltstrom fünf mal so groß sein, womit wir 80 A erreichen. Ist der Einschaltimpuls nur 280 μs lang, können wir einen Korrekturfaktor 9 ansetzen, sodass 720 A Einschaltstrom noch nicht zum Auslösen führen. Mit einem Einschaltstrom von 25,8 A pro Gerät können nach Adam Riese 27 LED-Treiber an der Leitung angeschlossen werden, ohne dass die Sicherung beim Einschalten fällt.
Korrekturfaktor für Einschaltstromimpulse unter 10 ms (Bild: ABB-Datenblatt der Sicherungsautomaten Baureihe S200)
Betrachten wir die weiteren Daten des LED-Treibers, so hat dieser eine Leistung von ca. 81 Watt bei einem Betriebsstrom von 350 mA. Nehmen wir nun die 27 Geräte, die beim Einschalten die Sicherung nicht auslösen, so belasten wir die Phase, die 16 A Nennstrom verträgt, mit gerade mal mit 9,45 A – oder in Leistung ausgedrückt 3,6 kW pro Phase werden mit 1,7 kW belastet.
Wir haben bis jetzt kennengelernt, dass der Einschaltstrom sehr schnell eine Sicherung zu Fall bringen kann. Aber anstatt nun den Einschaltstrom auf sehr viele Sicherungsautomaten und Zuleitungen zu verteilen, um ein sicheres Einschalten zu garantieren, gibt es auch andere Wege. Wir haben in den Messungen auch gesehen, dass beim Einschalten im Nulldurchgang der kleinste Einschaltstrom generiert wird. So ist eine Möglichkeit zur Vermeidung hoher Einschaltströme der Einsatz sogenannter „elektronischer Nulldurchgangsschalter”, die ein Einschalten bei hoher Momentanspannung verhindern. Viele Dimmer, Schalt-Versätze (Smarte Stromverteilungen) oder Solid-State-Relais weisen eine Zero-Cross-Funktion auf, sodass man immer im Nulldurchgang einschaltet. Abhilfe könnte auch ein zeitversetztes Einschalten der Geräte sein. Dazu gibt es kleine Zeitverzögerungsrelais, die vor das Gerät geschaltet werden. Intelligenterweise sollten die Einschaltverzögerungsglieder nach einem Quasizufallsprinzip abhängig zuschalten. Dies könnte z. B. auch vom Scheinwerfer selber erfolgen, wenn man dort so eine Funktion implementiert, die eine Zeitverzögerung anhand der Adressierung des Scheinwerfers vornimmt.
Ebenso könnte bei durchgeschliffener Stromversorgung über Powercon Out ein Relais zeitverzögert schalten, sodass die Folgelampen nacheinander zugeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit, die jedoch der Hersteller des Scheinwerfers leisten muss, ist die Begrenzung des Einschaltstromes durch NTC-Elemente (Thermistoren), wie sie unter anderem auch in Schaltnetzteilen von Geräten der Unterhaltungselektronik (z. B. Fernsehgerät) eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, dass der in der Schaltung den Einschaltstrom begrenzende NTC-Widerstand bei jedem Schaltvorgang elektrische Leistung aufnimmt und sich dabei erwärmt. Natürlich, und jetzt kommen wir auf das eingangs angesprochene Phänomen, hängt es auch vom verwendeten Schaltnetzteil ab, welches von sich aus schon mit einem Einschaltstrombegrenzer oder Sanft-Anlauffunktion ausgestattet ist. Auf dem Markt sind für die nachträgliche Ausrüstung auch „Softstarter“ erhältlich.
Bleibt festzuhalten: Mit den Schaltnetzteilen muss man sich verstärkt Gedanken um den Einschaltstrom machen, wenn nicht das Gerät selbst entsprechende Funktionen zur Einschaltstrombegrenzung aufweist. Moderne Unterverteilungen für anspruchsvolle Technik weisen oft eine Zero-Cross-Einschaltfunktion auf.
Kommentar zu diesem Artikel
Paul Ditze
Besten Dank.
Die beste, eindrucksvollste und kompetenteste Beschreibung, die mir bekannt ist. Es werden nicht nur die Grundlagen vermittelt, auch die komplexen zusammenhänge, Tabellen und Formeln.
Zwar hatte ich das schon mal vor 30 Jahren im Studiun, aber so eine Nachhilfe frischt immer wieder auf. Ich werde es meinen Kollegen vermittel.
Paul Ditze
Dipl. Ing. E-Technik
Besten Dank.
Die beste, eindrucksvollste und kompetenteste Beschreibung, die mir bekannt ist. Es werden nicht nur die Grundlagen vermittelt, auch die komplexen zusammenhänge, Tabellen und Formeln.
Zwar hatte ich das schon mal vor 30 Jahren im Studiun, aber so eine Nachhilfe frischt immer wieder auf. Ich werde es meinen Kollegen vermittel.
Paul Ditze
Dipl. Ing. E-Technik