Einschaltstrom von AV-Geräten (Inrush)

Der Einschaltstrom ist die kurze Stromspitze, die ein Gerät im Moment des Zuschaltens aus dem Netz zieht. Sie dauert wenige Millisekunden und erreicht dabei ein Vielfaches dessen, was dasselbe Gerät im Betrieb aufnimmt.

Ausführliche Erklärung

Zwei Vorgänge, die sich überlagern

Hinter der Spitze stecken zwei voneinander unabhängige Ursachen, und beide haben mit dem Signal nichts zu tun.

Der erste betrifft den Netztrafo. Ein Transformator arbeitet über den Magnetfluss in seinem Kern, und dieser Fluss baut sich beim ersten Zuschalten aus dem Stand auf. Wird ausgerechnet im Nulldurchgang der Netzspannung eingeschaltet, sieht die Wicklung eine volle Halbwelle mit doppeltem Spannungs-Zeit-Produkt gegenüber dem eingeschwungenen Betrieb — der Kern gerät in die Sättigung, und ein gesättigter Kern setzt dem Strom kaum noch etwas entgegen. Dieselbe Sättigung erklärt auch, warum der Effekt einseitig auftritt: Die Halbwellen der Gegenrichtung richten nichts aus, solange der Kern in eine Richtung gesättigt ist. Bleibt vom letzten Abschalten eine Restmagnetisierung im Kern zurück, verschärft sie den Fall zusätzlich.

Der zweite Vorgang betrifft das Netzteil dahinter. Die Siebkondensatoren sind vor dem Einschalten leer, und ein leerer Kondensator verhält sich gegenüber dem Gleichrichter für einen kurzen Moment wie ein Kurzschluss. Erst wenn er sich auflädt, steigt seine Gegenspannung und der Strom sinkt auf ein normales Maß.

Beide Vorgänge sind kurz und laufen ineinander. Zusammen ergeben sie eine Spitze, deren Höhe vom Einschaltzeitpunkt abhängt — und der ist bei einem gewöhnlichen Netzschalter Zufall. Genau das macht den Einschaltstrom zu einer Größe, die von Mal zu Mal anders ausfällt.

Wie groß die Spitze wirklich wird

Zahlen sind hier hilfreicher als Adjektive. Für einen Ringkerntrafo mit 500 Voltampere an 230 Volt ergibt die Rechnung ohne jede Begrenzung einen Spitzenwert von rund 64 Ampere; berücksichtigt sind dabei der Wicklungswiderstand der Primärseite von etwa 2,4 bis 2,8 Ohm und ein bis zwei Ohm Netzimpedanz. Mit drei Heißleitern zu je zehn Ohm in Reihe sinkt der gemessene Spitzenwert desselben Aufbaus auf rund zehn bis elf Ampere. Der Vorgang selbst ist schnell vorbei: Die Leistungsaufnahme bleibt bei 50 Hertz gut fünf Millisekunden lang oberhalb eines Kilowatts.

Zwischen den Bauarten gibt es dabei einen deutlichen Unterschied. Der Ringkerntrafo ist der schwierigste Fall, weil sein geschlossener Kern ohne nennenswerten Luftspalt arbeitet — genau die Eigenschaft, die ihn magnetisch effizient und mechanisch leise macht, treibt seine Einschaltspitze nach oben. Ein Trafo mit geschichteten Blechen fällt gutmütiger aus. Ein getaktetes Netzteil hat den Vorgang der Kernmagnetisierung nicht, lädt aber ebenfalls seine Eingangskondensatoren und erzeugt dabei eine eigene Spitze; Geräte mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur bringen dafür oft schon eine Anlaufschaltung mit.

Was dagegen unternommen wird

Drei Verfahren sind verbreitet, und sie unterscheiden sich weniger in der Wirkung als in dem, was sie im Betrieb kosten.

Der Heißleiter ist die einfachste Lösung: ein Bauteil, dessen Widerstand im kalten Zustand hoch ist und mit der Eigenerwärmung sinkt. Er bremst also genau dann, wenn gebremst werden muss, und verschwindet danach weitgehend aus dem Weg. Seine Schwäche liegt im Wiedereinschalten. Nach dem Abschalten braucht er mehrere zehn Sekunden bis wenige Minuten, um wieder kalt zu werden — wer ein Gerät kurz aus- und gleich wieder einschaltet, bekommt die volle Spitze ohne Begrenzung. Hinzu kommt, dass er im Betrieb Verlustleistung in Wärme umsetzt und deshalb mit Abstand zu wärmeempfindlichen Bauteilen eingebaut werden will.

Die überbrückte Anlaufschaltung behebt genau das. Ein Widerstand oder Heißleiter begrenzt die erste Spitze, und nach etwa hundert Millisekunden schließt ein Relais ihn kurz. Danach ist das Bauteil stromlos, kühlt ab und steht beim nächsten Einschalten wieder zur Verfügung. Das ist der Aufbau, den größere Endstufen mitbringen.

Das gestaffelte Einschalten setzt eine Ebene höher an und ist die einzige Maßnahme, die dem Planer offensteht. Statt alle Geräte an einen Schalter zu hängen, schaltet eine Steuerung sie in Abständen von einigen hundert Millisekunden zu. Damit addieren sich die Spitzen nicht mehr, und der Stromkreis sieht nur noch die größte einzelne. Nebenbei löst dieselbe Steuerung ein zweites Problem: Wenn die Endstufe zuletzt einschaltet und zuerst abschaltet, laufen keine Schaltgeräusche der Quellgeräte über die Lautsprecher.

Warum die Absicherung darüber entscheidet

Ein Leitungsschutzschalter unterscheidet nicht zwischen einer Einschaltspitze und einem Kurzschluss — er sieht in beiden Fällen ein Vielfaches des Bemessungsstroms für kurze Zeit. Ob er auslöst, hängt an seiner Auslösecharakteristik und damit an einer Entscheidung, die im Elektroplan fällt und nicht am Gerät.

Für die AV-Planung folgt daraus eine Bringschuld: Wie viele Endstufen an einem Stromkreis hängen und wie sie eingeschaltet werden, muss beim Elektroplaner ankommen, bevor die Verteilung gesetzt ist. Die Auslegung selbst gehört in dessen Verantwortung.

Häufiges Missverständnis

„Der Automat fliegt beim Einschalten, also ist er zu klein." Der Schluss liegt nahe und führt in die falsche Richtung. Ein Leitungsschutzschalter hat zwei Auslöser, und der thermische — der, dessen Ansprechen von der Größe des Automaten abhängt — ist beim Einschalten gar nicht beteiligt: Er braucht Minuten, der Vorgang dauert Millisekunden. Angesprochen hat der magnetische Auslöser, und dessen Schwelle ist ein Vielfaches des Bemessungsstroms; welches Vielfache, gibt die Charakteristik vor. Ein größerer Automat derselben Charakteristik hebt die Schwelle deshalb mit an — er schützt dann aber eine Leitung, die für den kleineren Wert ausgelegt wurde, und das ist der Grund, warum diese Stellschraube ausscheidet. Bleibt die Charakteristik, und deren Auswahl hängt an der Leitung selbst.

Der zweite Irrtum betrifft den Standby-Betrieb. Ein Gerät, das über die Fernbedienung aus dem Bereitschaftszustand hochfährt, schaltet in seinem Inneren dieselben Baugruppen zu wie beim Griff an den Netzschalter — die Spitze bleibt. Was der Bereitschaftszustand verhindert, ist der Vorgang am Netztrafo dann, wenn dieser durchgehend am Netz bleibt; das unterscheidet sich von Gerät zu Gerät.

Nicht zu verwechseln mit

• Kurzschlussstrom: Der Strom, der bei einem Fehler fließt und keinen Endpunkt hat, bis eine Schutzeinrichtung abschaltet. Der Einschaltstrom endet von selbst, sobald Kern und Kondensatoren geladen sind.
• Anlaufstrom von Motoren: Derselbe Effekt in der Antriebstechnik, mit einem wichtigen Unterschied — dort dauert der Anlauf Sekunden statt Millisekunden, weil eine Masse beschleunigt wird. Die Zahlen aus dem Motorenbau lassen sich deshalb auf AV-Geräte nicht übertragen.
• Leistungsaufnahme und Dauerstrom: Die Angabe auf dem Typenschild beschreibt den Betrieb. Sie sagt über die Einschaltspitze nichts, und aus ihr lässt sich die Spitze auch nicht ableiten.
• Ableitstrom: Der geringe Strom, der über Entstörkondensatoren zum Schutzleiter fließt. Er summiert sich über viele Geräte und ist ein Thema für die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung, hat mit dem Einschaltvorgang aber nichts zu tun.

Aus der Praxis

Ein Technikraum mit vier Mehrkanal-Endstufen, Vorverstärker, Prozessor, Netzwerktechnik und zwei Quellgeräten. Beim ersten Einschalten nach der Montage fällt der Automat, und zwar reproduzierbar — die Anlage ist noch gar nicht in Betrieb gewesen.

Soll die Anlage überhaupt zentral geschaltet werden, oder bleiben Netzwerk und Steuerung dauerhaft versorgt und nur die Endstufen schaltbar? Diese Entscheidung fällt vor jeder technischen Maßnahme, weil sie festlegt, wie viele Geräte überhaupt gleichzeitig anlaufen können.

Erst danach steht das Verfahren fest. Bleiben die Dauerverbraucher am eigenen Stromkreis, sind es noch vier Endstufen, die zusammen anlaufen — und deren Spitzen addieren sich, wenn sie an einem Schalter hängen. Gestaffeltes Zuschalten in Abständen von einigen hundert Millisekunden löst das, ohne dass an der Absicherung etwas geändert wird. Die Reihenfolge folgt der Signalkette: Quellen und Prozessor zuerst, Endstufen zuletzt.

Erst danach kommen die Geräte in den Blick — eine Steuerung mit schaltbaren Ausgängen, eine Verteilung mit sequenziellen Abgängen oder eine Kombination aus beidem, je nachdem, ob ohnehin eine Steuerung im Projekt ist. Wer diesen Weg abkürzt und zuerst nach einer größeren Absicherung fragt, verschiebt das Problem in die Leitung.

Verknüpfte Inhalte

Welche Schwelle ein Leitungsschutzschalter kennt und warum die Charakteristik über das Anlaufen einer Anlage entscheidet, steht bei der Auslösecharakteristik. Die Fragen, die vor dem Rohbau zur Stromversorgung geklärt werden müssen, sammelt die Stromversorgung für AV-Systeme. Wie ein Technikrack aufgebaut, verkabelt und belüftet wird, behandelt der Technikraum für AV-Technik, und die genormten Steckverbinder auf der Netzseite stehen beim Kaltgeräteanschluss.

Quellen

Rechenbeispiel, Messwert und Dauer der Leistungsspitze stammen aus einem Fachbeitrag von Elliott Sound Products, einer im Verstärkerbau etablierten technischen Fundstelle; von dort stammen ebenfalls die Angaben zur Abkühlzeit des Heißleiters und zur Überbrückung nach etwa hundert Millisekunden. Die Rolle des Einschaltzeitpunkts und die Einbaubedingungen des Heißleiters sind zusätzlich über die Darstellung eines Bauteileherstellers belegt; dessen Obergrenze „bis zum Hundertfachen" ist eine Herstellerangabe zu einer ganzen Bauteilkategorie und hier bewusst nicht als Zahl übernommen.