Rechner für Einschaltstrombegrenzung mit Lastschalter

Einschaltstrom tritt auf, wenn Strom an einen Schaltkreis angelegt wird, insbesondere bei Schaltkreisen mit kapazitiven Lasten. Beim Laden der kapazitiven Last entsteht ein Stromstoß und ein entsprechender Spannungseinbruch an der Stromversorgung, verursacht durch den Innenwiderstand der Batterie oder Stromquelle. Normalerweise ist dies beim Start kein Problem, und es wird eine gewisse Stabilisierungszeit erwartet. Die meisten Mikrocontroller bleiben beispielsweise im Reset-Zustand, bis sich die Spannung stabilisiert hat. Einschaltstrom wird jedoch problematisch, wenn eine kapazitive Last erst nach dem Einschalten der Stromversorgung zugeschaltet wird, da der Spannungseinbruch Mikrocontroller zurücksetzen oder in einen Brownout-Zustand versetzen kann.

Es gibt verschiedene Lösungen zur Begrenzung des Einschaltstroms. Die folgende Schaltung, ein sogenannter „Lastschalter", nutzt zwei Transistoren. Sie macht sich die Gate-Kapazität von MOSFETs zunutze: Bei ausgeschalteter Versorgung sperren beide Transistoren, da R2 das Gate von Q1 hochzieht (Vgs = 0V). Bei Einschalten leitet Q2 und zieht das Gate von Q1 über den hochohmigen Widerstand R3 langsam auf Masse. R3 und die Gate-Kapazität bilden ein RC-Glied. Der Leistungs-MOSFET Q1 schaltet dadurch langsam durch, begrenzt den Einschaltstrom und reduziert den Spannungseinbruch. Ein optionaler Kondensator C3 zwischen Gate und Source erhöht die Gate-Kapazität, ermöglicht kleinere Gate-Widerstände und verringert Toleranzen durch variierende Gate-Kapazitäten unterschiedlicher Transistoren.

Der Spannungseinbruch hängt vom Innenwiderstand der Stromquelle und der Lastkapazität ab:

I(Einschaltstrom) = C(Last) * dv/dt;

V(Einbruch) = I(Einschaltstrom) * R(Innenwiderstand);

V(Einbruch) = R * C * dv/dt;

Beispiel: Eine entladene 10-µF-Last wird über einen Schalter an eine 9-V-Batterie (Innenwiderstand 2 Ω) angeschlossen. Bei dv = 9 V und dt = 2,5 µS (durch Leitungsinduktivität begrenzt) beträgt der Einschaltstrom 3,6 A (10 * 9 / 2,5). Der Spannungseinbruch könnte bis zu 7,2 V erreichen. Bei 100 µF wäre der Innenwiderstand der begrenzende Faktor.

Hinweis zur Dimensionierung: Entnehmen Sie die Gate-Kapazität des Leistungs-MOSFETs dem Datenblatt und messen Sie die Dauer des Spannungseinbruchs mit einem Oszilloskop. Ziel ist es, die Tiefe des Einbruchs durch eine verlängerte Anstiegszeit zu reduzieren (Faktor 10 als Richtwert).