SMPS-Einschaltstromberechnung für die Leitungsschutzschalterauswahl

Berechnung des Einschaltstroms von Schaltnetzteilen für die Auswahl von Leitungsschutzschaltern

Beim Anschluss eines Schaltnetzteils (SNT) ans Netz entsteht ein Einschaltstrompeak durch das Laden von Kondensatoren, der das 100-fache des Nennstroms erreichen kann. Dies kann Leitungsschutzschalter auslösen, selbst bei ausreichender Leistungsreserve. Die Impulsdauer beträgt 50–2000 µs, mit maximaler Amplitude beim Einschalten auf dem Netzspannungspeak (325 V bei 230 V). Die SNT-Topologie bestimmt die Höhe: Klassisch mit Kondensator auf der Primärseite ergibt zehn bis hundert Ampere, während PSR einstellige Ampere liefert.

Haupt-SNT-Topologien und ihre Einschaltstrommerkmale

SNT basieren auf zwei Topologien.

Topologie 1 (Klassisch): Ein großer Elektrolytkondensator (Einheiten bis Hunderte µF) befindet sich nach der Diodenbrücke auf der Primärseite. Er lädt sich auf den Netzspannungspeak auf. Der Einschaltstrom stammt hauptsächlich aus dem Laden dieses Kondensators (bis zu 98 %), plus kleine Kapazitäten des EMV-Filters. Die Dauer beträgt Hunderte µs, der Peak liegt im Bereich von zehn bis hundert Ampere. Wird für Leistungen ab 50 W verwendet, einschließlich SNT mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC).

Topologie 2 (PSR): Ein großer Kondensator ist auf der Sekundärseite, mit Nanofarad-Kapazitäten auf der Primärseite. Der Einschaltstrom entsteht durch Schwingungen reaktiver Netzelemente und Filter. Der Peak liegt im einstelligen Amperebereich, die Dauer beträgt Zehner µs. Üblich in Netzteilen bis 60 W.

Messung der Einschaltstromparameter

Der Einschaltstrom wird durch ein Duo charakterisiert: I_max (Amplitude) und T_i (Dauer auf I_max/2-Niveau). Er hängt von der Schaltphase ab: Maximum beim Sinuspeak, Minimum nahe Null (Unterschied 8–10-fach).

Für Topologie 1 ist der Impuls RC-CR: Die Vorderflanke wird durch L_sum/R_sum (τ_n = L_sum / R_sum) definiert, die Hinterflanke durch C1 R_sum (τ_c = C1 R_sum).

Reale Impulse enthalten Überschwingen (T_ring) durch reaktive Elemente. Dauer T_u = T_o.i + T_ring, wenn die Überschwingenergie vernachlässigbar ist (I_ring < 0,1 I_max T_o.i) oder T_o.i > 200 µs.

Für Topologie 2 handelt es sich um gedämpfte Schwingungen. Umwandlung in RC-CR-Äquivalent:

• Effektivwert jeder Halbwelle: I_n = 0,7 * |a_n|
• I_max = 0,7 * a1
• T_i basierend auf der Hüllkurve auf I_max/2 * 0,7-Niveau

Empfehlung: Verwenden Sie einen Oszilloskop-Digitalfilter (5–20 kHz) für verrauschte Signale.

Einschaltströme paralleler SNT

Für N parallele SNT gilt I_max_sum ≠ N * I_max (ideales Netz). Berücksichtigen Sie Netzparameter: Rc, Lc. Die Norm IEC63129 empfiehlt Lc = 100 µH, Kurzschlussstrom 400–460 A (Rc ≈ 0,5–0,6 Ω für 230 V).

Simulation zeigt:

• In einem realen Netz verteilen sich Peaks über Phasen, der Gesamt-I_max ist geringer als N-fach.
• Netzinduktivität glättet Flanken, reduziert den Gesamtpeak.

Berechnungsschritte für eine SNT-Gruppe:

• Messen Sie I_max, T_i für jedes SNT.
• Schätzen Sie Lc, Rc des Netzes (aus Planung oder Norm).
• Simulieren Sie den Gesamtimpuls in Excel: Berücksichtigen Sie Schaltphasenverschiebungen.
• Prüfen Sie gegen die Auslösekurve des Leitungsschutzschalters (Integral i²t).

Auswahl eines Leitungsschutzschalters unter Berücksichtigung des Einschaltstroms

Leitungsschutzschalter lösen über thermische (langfristige) oder elektromagnetische (momentane) Auslöser aus. Für SNT ist der magnetische Auslöser kritisch: proportional zu i²t.

• Verwenden Sie Kennlinien (B, C, D): D-Klasse für hohe Einschaltströme (Motorstarter, SNT).
• Reserve: Nennstrom des Schalters 1,5–2x Gesamtbetriebsstrom.
• Für Gruppen: Summieren Sie Impulsenergien, nicht Peaks.

Beispiel: 10 LED-Leuchten (SNT Topologie 2). Jedes I_max=5 A, T_i=50 µs. Ideell 50 A, im Netz mit Lc=100 µH – realer Peak ~20–30 A. Ein 10–16 A Typ D-Schalter löst nicht aus.

Wichtige Auswahlfaktoren:

• SNT-Topologie.
• Schaltphase.
• Netzparameter (Lc, Rc).
• Auslöserkennlinie.
• Anzahl paralleler Lasten.

Wichtige Erkenntnisse

• SNT-Einschaltstrom ist Kondensatorladung + Schwingungen, Peak bis 100x Nennstrom bei 325 V Einschaltung.
• Topologie 1: zehn bis hundert A, Hunderte µs; Topologie 2: einstellige A, Zehner µs.
• Für parallele SNT ist Gesamtpeak < N * I_max aufgrund von Netzeffekten.
• Wählen Sie D-Klasse-Schalter, simulieren Sie i²t in Excel.
• Messen Sie mit 5–20 kHz Filter, T_i auf I_max/2.

— Editorial Team