Beim Einschalten von Netztransformatoren gibt es, je nachdem an welcher Stelle der Sinuswechselspannung der Einschaltvorgang stattfindet, einen mehr oder weniger großen Einschaltstromstoß.
Der Einschaltstromstoß ist abhängig vom Moment des Einschaltens und zusätzlich auch noch davon, an welcher Stelle das vorherige Mal ausgeschaltet wurde.
Es geht hier nicht darum, diesen Einschaltstromstoß mit irgendwelchen zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen zu verhindern, sondern nur um die Erforschung dieses Effekts.
Da in der Literatur sehr wenige ausführliche Informationen darüber zu finden waren, wurde diese Untersuchung begonnen, um Fragen zu diesem Thema auch in Zukunft vollständig beantworten zu können.
Es gibt zwar einige theoretische Überlegungen, wie sich Transformatoren wegen der Remanenz des Eisenkerns verhalten. Wie weit die Theorie und Praxis wirklich übereinstimmen, kann man nur herausfinden, wenn man es ausprobiert.
Auch die Frage, ob Ringkerntrafos sich hier anders verhalten als Trafos mit Luftspalt, wird hiermit untersucht.
Die zentralen Elemente sind der Mikrokontroller und der von diesem angesteuerte Schalter in Form eines MOSFETs.
Es sind insgesamt 2 Netzteile vorhanden. Die 3,3V Versorgung versorgt die gesamte Messelektronik und den Mikrokontroller. Der Gatetreiber für den MOSFET besteht aus einem Optokoppler. Dieser wird mit galvanisch getrennten 12V versorgt.
Die Messelektronik besteht aus 2 Rail to Rail OPs mit ausreichender Bandbreite. Es wird die Netzspannung heruntergeteilt und der fließende Strom über den Shuntwiderstand bereitgestellt. Die Skalierung des Stroms wurde so gewählt, dass bis zu ±75A gemessen werden können.
Der Mikrokontroller erfasst mit seinen 2 x 12-Bit-AD-Konvertern gleichzeitig die beiden Signale mit einer genügend hohen Abtastrate (ca. 20-50kHz).
Der Mikrokontroller ist für die Übertragung der Messwerte über 4 Optokoppler mit dem PC verbunden.
Für die Stromversorgung der gesamten Schaltung waren 3 galvanisch getrennte Spannungen notwendig.
Als Ein/Aus-Schalter wurde ein MOSFET (T5) mit vorgeschaltetem Brückengleichrichter (D5-D8) ausgewählt. Ein MOSFET kann im Gegensatz zu einem Thyristor/Triac zu jedem beliebigen Zeitpunkt Ein- /Ausgeschaltet werden.
Der ausgewählte MOSFET kann einen zulässigen Dauerstrom von 73A und einen Spitzenstrom von 211A bewältigen. Die Dioden des Brückengleichrichters haben zulässige Dauerströme von 30A und einem Spitzenstrom von 70A. Zur Absicherung gegen Induktionsspannungen sind 3 Varistoren mit einer Durchbruchspannung von 430V vorhanden.
Die Ansteuerung des MOSFETs wird von einem Optokoppler übernommen. Die gemessene Flankenanstiegszeit liegt bei 20µs. Das ist für diese Art von Messungen völlig ausreichend.
Die an den Klemmen gemessenen Durchgangswiderstände der Schaltung haben folgende Werte:
| Strom | Geschlossener Schalterpfad |
| @1A | 1,5Ω |
| @2A | 0,85Ω |
| @5A | 0,4Ω (differentiell 100mΩ) |
| @10A | 0,24Ω (differentiell 80mΩ) |
Der Strompfad hat in allen Fällen einen Durchgangswiderstand von 11 mΩ
Um auch Werte über 10A zu bekommen, wurden die gemessenen Werte doppelt logarithmisch aufgetragen, um eine einfache Extrapolation zu ermöglichen.
| Strom | Geschlossener Schalterpfad |
| @20A | 140mΩ (differentiell 40mΩ) |
| @50A | 68mΩ (differentiell 20mΩ) |
| @100A | 40mΩ (differentiell 12mΩ) |
Der ausgewählte Mikrokontroller STM32L422KB enthält 2 unabhängige 12-Bit Analog/Digital-Wandler. Diese beiden wurden gleichzeitig für die Abtastung von Spannung und Strom verwendet.
Damit positive und negative Werte gemessen werden können, wird mittels IC8D eine virtuelle Masse mit der halben Versorgungspannung (1,65V) erzeugt, welche für die anderen Verstärker als Bezugspunkt dient.
Für den Spannungsverstärker-OP (IC8A) wird die Netzspannung vorher mit R19/R20 um den Faktor 455 geteilt. Er verstärkt um Faktor 2,2 und verschiebt zusätzlich die verstärkte Spannung um 1,65V. Der maximal messbare Spannungsbereich liegt somit bei ±341,6V.
Der Stromverstärker-OP (IC8B) verstärkt die vom Shuntwiderstand gelieferte Spannung um Faktor 2,2 und verschiebt zusätzlich die verstärkte Spannung um 1,65V. Der maximal messbare Strombereich liegt somit bei ±75A mit einer Auflösung von ca. 36mA.
Mit dem IC8C wurde die Möglichkeit geschaffen, kleinere Ströme etwas genauer erfassen zu können. Er verstärkt auch die Spannung, die der Shuntwiderstand liefert, jedoch hier um den Faktor 220 verstärkt. Diese verstärkte Spannung wird dann an einen weiteren Multiplexer-Eingang des A/D-Wandlers im Mikrocontroller gegeben. Hiermit sind dann Strommessungen von max. ±0,75A mit einer Auflösung von ca. 0,37mA möglich. Die kleinste erfassbare Spitzenleistung bei 230VAC liegt somit bei ca. 0,1W.
Das PC-Interface wurde mit 2 Optokopplern für die TX und RX Leitung einer RS232 Schnittstelle realisiert. Die beiden zusätzlichen Optokoppler steuern die ISP Leitung des Mikrokontrollers und sorgen für eine gefahrlose Bedienung der Resetfunktion.
Eine kleine einfache Statusanzeige der Firmware wurde mit einer RGB-LED direkt auf Leiterplatte realisiert, welche direkt mit 3 Ports des Mikrokontrollers angesteuert werden.
Die komplette Schaltung wurde auf einer doppelseitigen Leiterplatte realisiert.
Der Hochstrompfad wurde zusätzlich auf der Unterseite mit 1,5mm² starken Drähten verstärkt.
Die Netzimpedanz liegt bei einer üblichen Haushaltsabsicherung von 16A bei ca. 300mΩ. Die internen Durchgangswiderstände der Schaltung liegen beim Strommesspfad bei ca. 11mΩ und zwischen den Klemmen des Schalters bei 10A bei ca. bei 240mΩ. Der differenzielle Widerstand zwischen den Klemmen des Schalters beträgt bei 10A ca. 80mΩ.
Die Software für die Trafountersuchungen wurde in zwei Teile aufgeteilt.
Die Firmware auf dem Mikrokontroller wurde mit dem STM-Cube-Softwaretool der Firma ST-Microelectronics erstellt. Als Programmiersprache kam hier C99 zu Einsatz.
Als C-Compiler wurde der ARM-GNU Compiler verwendet, der mit der IDE von STM als Eclipse Derivat zur Verfügung steht.
Die Desktopsoftware wurde mit der Entwicklungsumgebung Delphi in der Programmiersprache Pascal erstellt. Die Übertragung der Daten vom Mikrokontroller erfolgt über eine RS232-Schnittstelle, die mit einem USB-Pegelkonverter der Firma FTDI an moderne PCs angeschlossen werden kann.
Für jede einzelne Messung wird der Verlauf der Spannung und des Stromes zur Überwachung zusätzlich noch angezeigt.
Der Triggerpegel, ab wann die Messung gestartet wird (gelbe Linie), ist etwas unter der Nulllinie der Spannung eingestellt, damit der erste Nulldurchgang der Spannung auf jeden Fall mit erfasst wird.
Bei allen Messungen wurde der Transformator bei jedem Phasenwinkel der Netzwechselspannung Ein- und Ausgeschaltet. Es wurden dabei folgende Parameter verwendet.
Es wird der Stromverlauf über 2 komplette Spannungsperioden aufgezeichnet. Nach einem Messdurchlauf werden mit der Firmware auf dem Mikrokontroller die Maximalwerte des Stromes der positiven und negativen Abweichung von der Nulllinie gesucht. Danach wird noch entschieden, welcher Betrag der beiden Werte größer ist und dieser Wert als Ergebnis festgehalten.
Bei einer Winkelauflösung von 5° ergeben sich dann 72x72=5184 Messwerte, die als 3D-Diagramm dargestellt werden.
Um eine vorherige alte Magnetisierung des Kerns auszuschließen, wird die erste Messung jedes Messdurchlaufs 3x durchgeführt und erst dann werden die Werte gespeichert.
Jeder Messdurchlauf mit demselben Endwinkel wird in einer Tabelle mit 72 Ergebniszeilen von der PC-Software in einer html-Datei gespeichert, welche dann mit einer Tabellenkalkulationssoftware einfach eingelesen werden kann.
Bei diesem Beispiel wird eine Einzelmessung ohne Last beim stärksten Impulsstrom aufgezeigt.
Für den Worst Case wurde hier am Anfang der Kurve in Nulldurchgang der Spannung eingeschaltet (linke graue Linie) und nach 4 Perioden im anderen Nulldurchgang der Spannung wieder ausgeschaltet (rechte graue Linie).
Die grüne Line entspricht der Netzwechselspannung. Die rote Linie dem Stromfluss.
Es ist hier noch etwas zu erkennen. Beim ersten Nulldurchgang erscheint der größte Stromimpuls. Dieser eine Impuls reicht jedoch nicht, um die bereits vorhandene Kernmagnetisierung auszugleichen. Erst nach mehreren weiteren Nulldurchgängen verschwinden die Stromimpulse allmählich. Dieser Effekt ist deutlich hörbar, denn beim Einschalten ist für ca. ½ Sekunde ein kurzer Brummstoß zu hören.
Für diesen Test wurde ein Ringkerntrafo der Firma ELNA mit 100VA Primär 230V, Sekundär 2x24V benutzt.
Als ohmsche Last wurde an jede Sekundärwicklung ein 10Ω/50W Widerstand angeschlossen. Diese wurden zur besseren Wärmeabfuhr auf ein Aluminiumblech montiert. Das ergibt eine Belastung von ca. 115W. Der Transformator wird hiermit leicht überlastet.
Erklärung für die Falte links oben im 3D-Diagramm:
Beim Phasenausschaltwinkel von ca. 300° ist die Sicherung rausgeflogen (warum auch immer?). Der Trafo ist bis zum Fortsetzen der Messung etwas abgekühlt, was zur Folge hatte, dass der Stromwert nach dem Neustart hier etwas größer ist. Als Grund für den erhöhten Stromwert kann man den temperaturabhängigen Widerstand des Kupferdrahtes der Primärwicklung nennen.
Für diesen Test wurde ein EI-Kern-Trafo der Firma Block mit 120VA Primär 230V, Sekundär 2x15V (aufgeteilt in mehrere Sekundärwicklungen) benutzt.
Als ohmsche Last wurden an jede 15V Sekundärwicklung zweimal 10Ω/50W Widerstände parallel angeschlossen (ergibt je 5Ω). Diese wurden zur besseren Wärmeabfuhr auf ein Aluminiumblech montiert. Das ergibt eine Belastung von ca. 90W. Der Transformator wird hiermit nicht ganz voll ausgelastet.
Diese Messungen wurden nur an dem Ringkerntransformator durchgeführt!
Hierfür wurde an jede Wicklung des Trafos eine Einweggleichrichtung mit nur einer Diode durchgeführt. Die zweite Wicklung wird im Wickelsinn anders herum angeschlossen, wodurch eine gleichmäßige magnetische Belastung des Trafos entsteht wie mit einer Brückengleichrichtung. Als Last dient je ein 100W 20Ω Widerstand mit einem 10000µF Elko parallel.
Der Trafo wurde am ersten Spannungsmaximum eingeschaltet, an genau solch einem Maximum wurde er auch vorher ausgeschaltet. Dies entspricht dem Best Case, bei dem keine magnetischen Effekte wie in den vorherigen Kapiteln zusätzlich zu erwarten sind.
Das Ergebnis entspricht dem, was man erwarten würde. In den Spannungsmaxima fließt der größte Strom, um den Elko nachzuladen. Der erste Impuls ist am Größten, da der Elko zu diesem Zeitpunkt noch leer ist. Die Stromimpulse pendeln sich langsam auf maximal ca. 0,9A ein (ca. doppelter Nominalvolllaststrom). Die Leistungskurve (grüne Kurve) wird zu keinem Zeitpunkt negativ. Es wird so gut wie keine Blindleistung umgesetzt.
Der Strompeak bei Einschalten (15,3 Ampere) liegt in der gleichen Größenordnung wie beim Leerlauffall. Die weiteren Peaks in den folgenden Nulldurchgängen liegen ebenso ähnlich wie beim Leerlauffall und verschwinden nach 10-20 Perioden. Auch hier wird so gut wie keine Blindleistung umgesetzt.
Beachtlich ist auch hier die Leistung, die im ersten Peak umgesetzt wird: ca. 4,65kW (das ist immer noch ein kleiner 100W Trafo!). Der Wert ist positiv, d.h., es handelt sich um reine Wirkleistung.
Hierfür wurde nur an einer Wicklung eine Last mit nur einer Diode eingebaut. Dieser Test wurde 2 Mal durchgeführt. Einmal nur mit der Schaltung an der ersten Wicklung und einmal nur mit der Schaltung an der verpolten 2. Wicklung.
Der Trafo wurde am ersten Spannungsmaximum eingeschaltet, an genau solch einem Maximum wurde er auch vorher ausgeschaltet.
Nur die Energie der negativen Stromimpulse fließt in die Last. Die positiven Stromimpulse fallen auch nach einiger Zeit nicht auf 0 ab. Sie pendeln sich auf einen Wert von ca. 2A ein. Die Remanenz des Transformatorkerns wird durch die Gleichstrombelastung auf der Sekundärseite etwas aus der Ruhe gebracht. Die Leistungspakete der positiven Stromimpulse sind nicht negativ, d.h. diese Leistung wird als Wirkleistung im Trafo verbraten und nicht in der Last.
Der Trafo wurde am ersten Spannungsnulldurchgang eingeschaltet und am entgegengesetzten Nulldurchgang wurde er vorher ausgeschaltet.
Auch hier liegt der Einschaltpeak ähnlich wie bei der Leerlaufmessung. Nach einer Weile pendelt sich der gleiche Zustand ein wie bei der Best-Case-Messung.
Der Trafo wurde am ersten Spannungsmaximum eingeschaltet, an genau solch einem Maximum wurde er auch vorher ausgeschaltet.
Hier erkennt man, dass erst bei der 2. Halbwelle der größte Stromimpuls fließt. Die Energie des ersten Peaks fließt in die Last, die Energie des 2. Peaks in den Trafo. Die Stromimpulse fallen auch hier nach einiger Zeit nicht auf 0 ab, sondern pendeln sich auf ca. 2A ein.
Der Trafo wurde am ersten Spannungsnulldurchgang eingeschaltet und am entgegengesetzten Nulldurchgang wurde er vorher ausgeschaltet.
Der Worst Case in diesem Fall liefert nicht den größten Stromimpuls. Das liegt wahrscheinlich daran, dass die einseitige Belastung auf der Sekundärseite, die im Kern gespeicherte Remanenz für einige Perioden etwas ausgleichen kann. Nach ca. 5 Perioden verhält sich die Anordnung jedoch genau so wie bisher.
Für die Messung der Netzimpedanz wurde ein 10Ω 50W-Widerstand während der Spannungsspitze der Netzspannung für ca. 1ms eingeschaltet. Der Einbruch der Netzspannung kann zur Messung der Netzimpedanz verwendet werden.
Der Netzspannungsspitze wurde kurz vor dem Einschalten gemessen (310V) und ca. 0,5ms nach der Einschaltflanke (289V). Der fließende Strom beträgt hier 28,5A (Leistungspeak max. 8,25kW). Die Impedanz beträgt dann (310V-289V)/28,5A=740mΩ.
Nach der Begutachtung der Messergebnisse kann man folgendes Aussagen machen: