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Grundlagen des Überstromschutzes für Stromversorgungen

5. April 2022 von Bruce Rose – Lesezeit: 7 Minuten

Grundlagen des Überstromschutzes für Stromversorgungen

Einführung

Als Techniker befassen wir uns oft mit „Was wäre wenn“-Szenarien, um sicherzustellen, dass unsere Entwürfe unter so vielen Anwendungsbedingungen wie möglich funktionieren. Für den Fall, dass unsere Designs nicht richtig funktionieren, wollen wir zumindest nicht, dass entweder unser Produkt beschädigt wird oder unsere Designs etwas anderes beschädigen. Bei Netzteilen stellt sich oft die Frage: „Was passiert, wenn der Ausgangsstrom meines Netzteils den Nennstrom des Netzteils übersteigt?“ In diesem Artikel besprechen wir gängige Methoden, die in Stromversorgungsdesigns verwendet werden, wenn die Nennlast überschritten wird.

Die ideale Stromversorgung

Obwohl wir sie meist als „Stromversorgungen“ bezeichnen, meinen wir eigentlich „Spannungsversorgungen“. Der Unterschied zwischen den beiden Konstruktionen besteht darin, dass eine ideale „Stromversorgung“ unabhängig von der Lastspannung oder dem Laststrom eine konstante Leistung an eine Last liefert (Abbildung 1). Eine ideale Spannungsversorgung liefert eine konstante Spannung an eine Last, unabhängig vom Laststrom (Abbildung 2). Wir können keine ideale Spannungsversorgung entwerfen, bauen oder kaufen, weil eine ideale Spannungsversorgung die Fähigkeit hat, unbegrenzt Strom (und Leistung) an eine Last zu liefern. Obwohl wir erwähnt haben, dass wir über Spannungsversorgungen und nicht über Stromversorgungen sprechen, werden wir in unseren Diskussionen weiterhin allgemein den Begriff „Stromversorgung“ verwenden (missbrauchen).

Konstante Leistung
Abb. 1: Konstante Leistung
Konstante Spannung
Abb. 2: Konstante Spannung

Strombegrenzung in Stromversorgungen

Wie bereits erwähnt, verfügen alle Stromversorgungen über eine Form der Strombegrenzung, die in den meisten Fällen kontrolliert und zerstörungsfrei ist. Diese Diskussion konzentriert sich auf die Begrenzung des Ausgangsstroms einer Stromversorgung, um die Stromversorgung für den Fall zu schützen, dass die Last zu viel Strom benötigt und ansonsten die Stromversorgung beschädigen würde. Die Begrenzung des Eingangsstroms wird in Stromversorgungen oft in Form einer Sicherung in Reihe mit einem oder beiden Eingangsleitern implementiert. Diese Strombegrenzung dient dem Schutz der vorgeschalteten Stromquelle und der Leiter. Es wird davon ausgegangen, dass die Stromversorgung mit der/den Eingangssicherung(en) bereits beschädigt ist, wenn der aufgenommene Eingangsstrom hoch genug ist, um die Eingangssicherung(en) auszulösen. Einige Anwendungen erfordern eine streng kontrollierte Strombegrenzung, um ordnungsgemäß zu funktionieren, z. B. beim Laden von Akkus. Sie müssen mit dem Anbieter der Stromversorgung sprechen, wenn eine streng kontrollierte Strombegrenzung erforderlich ist. Die meisten Stromversorgungen verfügen über eine lose Strombegrenzung, die nur dazu dient, die Stromversorgung vor Beschädigungen zu schützen. Zu den gebräuchlichen Methoden zur Begrenzung des Ausgangsstroms einer Stromversorgung gehören die Begrenzung des Sicherungsstroms, die Begrenzung des Konstantstroms, die Begrenzung des rückläufigen und des Hiccup-Stroms.

Strombegrenzung durch Sicherung

Die vielleicht einfachste Form der Begrenzung des Ausgangsstroms einer Stromversorgung besteht darin, eine Sicherung in Reihe mit der Ausgangsklemme der Stromversorgung zu schalten (Abbildung 3). Dieses Verfahren wäre effektiv, wird aber bei Stromversorgungen nicht oft angewandt. Deshalb ist es relativ einfach, einen übermäßigen Laststrom zu ziehen (d. h., die Ausgangsklemmen oder den Stecker der Stromversorgung kurzzuschließen) und versehentlich die Sicherung durchzubrennen. Darüber hinaus schützt die Ausgangsstrombegrenzungsfunktion in der Stromversorgung die internen Halbleiterkomponenten vor Schäden durch übermäßigen Laststrom. Es kann schwierig sein, eine Sicherung auszuwählen, die schnell genug durchbrennt, um die internen Halbleiter zu schützen, aber nicht durchbrennt, wenn ein Motor startet oder Lastkondensatoren geladen werden. Sicherungen eignen sich gut zum Schutz von Leitern und weniger gut zum Schutz von Halbleitern.

Sicherung im Ausgang der Stromversorgung
Abb. 3: Sicherung im Ausgang der Stromversorgung

Konstantstrombegrenzung

Eine gängige Methode zur Begrenzung des Ausgangsstroms von Stromversorgungen besteht darin, den Ausgangsstrom zu überwachen und die Ausgangsspannung zu reduzieren, wenn die Stromgrenze erreicht ist, während der maximale Ausgangsstrom beibehalten wird (Abbildung 4). Bei dieser Implementierung hängt die Ausgangsspannung während der Strombegrenzung von der Impedanz ab, die die Last während des Strombegrenzungsvorgangs aufweist. Dieses Strombegrenzungsverfahren ist relativ einfach zu implementieren, belastet jedoch Komponenten im Ausgangsstrompfad, wenn die Stromversorgung während des Strombegrenzungsbetriebs mit ihrem maximalen Strom arbeitet. Diese Version der Strombegrenzung kann die beste Wahl sein, wenn die Last kurzzeitig einen übermäßigen Strom zieht, wie z. B. beim Motorstart oder beim Laden des Bypass-Kondensators. Benutzer, die nicht wissen, dass sich die Stromversorgung im Strombegrenzungsmodus befindet, könnten glauben, dass die Stromversorgung nicht richtig funktioniert, weil die Ausgangsspannung unter dem im Datenblatt angegebenen Wert liegt, wenn die Stromversorgung im Strombegrenzungsmodus arbeitet.

Konstantstrombegrenzung
Abb. 4: Konstantstrombegrenzung

Rückläufige Strombegrenzung

Um die oben erwähnten Probleme mit der Belastung der Komponenten bei einer konstanten Strombegrenzung zu lösen, sind einige Stromversorgungen mit einer rückläufigen Strombegrenzung ausgestattet. Diese Implementierung kann für den Benutzer verwirrend sein. Bei einer Stromversorgung mit rückläufiger Strombegrenzung werden sowohl die Ausgangsspannung als auch der Ausgangsstrom reduziert, nachdem der maximale Ausgangsstrom erkannt wurde (Abbildung 5). Es gibt kein Standardverhalten für eine Stromversorgung mit rückläufiger Strombegrenzung. Daher muss der Benutzer das Datenblatt lesen, um zu verstehen, wie sich die von ihm gewählte Stromversorgung verhält. Dieses Verfahren zur Begrenzung des Ausgangsstroms der Stromversorgung kann Probleme verursachen, wenn die Last ein anlaufender Motor ist oder eine große Menge von Eingangs-Bypass-Entkopplungskondensatoren geladen wird. Das rückläufige Verhalten kann Verwirrung für den Benutzer verursachen, wenn sich die Versorgung im Strombegrenzungsmodus befindet und der Benutzer verstehen möchte, warum die Stromversorgung nicht die richtige Ausgangsspannung oder den richtigen Strom erzeugt.

Rückläufige Strombegrenzung
Abb. 5: Rückläufige Strombegrenzung

Strombegrenzung im Hiccup-Modus

Die vielleicht häufigste Implementierung der Strombegrenzung in Stromversorgungen ist der sogenannte Hiccup-Modus. Diese Art des Überstromschutzes kann als eine aktive Version des bereits erwähnten Sicherungsschutzes betrachtet werden. Bei der Strombegrenzung im Hiccup-Modus wird die Ausgangsspannung der Stromversorgung abgeschaltet, wenn eine Überstromsituation erkannt wird. Nach einer bestimmten Wartezeit wird die Ausgangsspannung der Stromversorgung wiederhergestellt. Wenn die Überstromsituation immer noch besteht, wiederholt die Stromversorgung den Abschalt- und Wartevorgang. Wenn die Überstromsituation nicht mehr besteht, arbeitet die Stromversorgung im normalen Modus weiter (Abbildung 6).

Überstrombegrenzung im Hiccup-Modus
Abb. 6: Überstrombegrenzung im Hiccup-Modus

Der Hiccup-Modus des Überstromschutzes ist einfach in den Chip des Spannungsregler-Controllers zu implementieren und minimiert die Überstrombelastung der Komponenten im Ausgangsstrompfad der Stromversorgung. Der Überstromschutz im Hiccup-Modus kann bei Motorstartlasten und in einigen Situationen mit großen Eingangsfilterkondensatorbänken ein Problem darstellen. Bei Anwendungen mit motorischen Lasten wird der Motor, wenn er während der EIN-Zeit der Stromversorgung nicht ausreichend anläuft, während der AUS-Zeit der Ausgangsspannung der Stromversorgung langsamer und läuft beim nächsten Hiccup-Zyklus wieder nicht an. Unter dieser Bedingung startet der Motor aufgrund der AUS-Zeit der Ausgangsspannung der Stromversorgung nie (Abbildung 7).

Fehlgeschlagener Motorstart
Abb. 7: Fehlgeschlagener Motorstart

Ein ähnliches Problem kann auftreten, wenn die Last ein großer Wert der Eingangsfilterkapazität ist und auch ein Laststrom vorhanden ist. Wenn die Ausgangsspannung des Netzteils zum ersten Mal an die entladenen Kondensatoren angelegt wird, kann der von den Kondensatoren aufgenommene Strom groß genug sein, um das Netzteil in den Überstrombetrieb zu versetzen. Wenn zusätzlich zu den Kondensatoren ein Laststrom vorhanden ist, kann der Laststrom die Kondensatoren während der AUS-Zeit der Stromversorgung ausreichend entladen, so dass sich die Kondensatoren nie bis zur Ausgangsspannung der Stromversorgung aufladen können (Abbildung 8).

Ausfall des Kondensators und Lastanlauf
Abb. 8: Ausfall des Kondensators und Lastanlauf

Wenn der Laststrom niedrig genug (oder nicht vorhanden) ist, können sich die Kondensatoren aufgrund der pulsierenden Ausgangsspannung der Stromversorgung treppenförmig aufladen und die Stromversorgung und die Last funktionieren nach der anfänglichen Anlaufverzögerung ordnungsgemäß (Abbildung 9).

Verzögerter (aber erfolgreicher) Kondensatorstart
Abb. 9: Verzögerter (aber erfolgreicher) Kondensatorstart

Fazit

Die Ausgangsstrombegrenzung ist bei allen Stromversorgungen vorhanden. Im Allgemeinen ist es für den Benutzer von Vorteil, wenn er weiß, welche Art von Strombegrenzung in seiner Stromversorgung verwendet wird und wie sich die Stromversorgung bei einer Überstromsituation am Ausgang verhält. Die Beobachtung der Ausgangsspannung einer Stromversorgung nur mit einem DMM (Digital Multi-Meter) kann den Benutzer verwirren, wenn die Ausgangsspannung nicht dem im Datenblatt der Stromversorgung angegebenen Wert entspricht.

Kategorien: Grundlagen, Sicherheit und Konformität


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

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