Ein leerer Elko wirkt im ersten Moment wie ein Kurzschluss. Steckst du ein 24-V-Netzteil an eine Platine mit 2200 μF, begrenzen nur die Widerstände von Leitung, Stecker und Elko den Strom – gut 100 A für eine Millisekunde. Die Folgen: Funken am Stecker, die die Kontakte abbrennen, ein Netzteil, das in die Kurzschlussabschaltung geht und neu startet, eine Sicherung, die beim Einschalten auslöst, oder ein Spannungseinbruch, der andere Geräte an derselben Versorgung zurücksetzt.
Die Einschaltstrombegrenzung sorgt dafür, dass sich der Kondensator langsam auflädt. Bei Gleichspannung geht das elegant mit einem MOSFET, der die Ausgangsspannung als Rampe hochfährt. Am Netz übernehmen ein NTC-Heißleiter oder ein Widerstand mit Überbrückungsrelais die Aufgabe. Hier bauen wir den MOSFET-Softstart für 24 V und 2200 μF.
Schaltplan
- T1, IRF4905: P-Kanal-MOSFET, 55 V, 20 mΩ. Die Source liegt am Eingang, der Drain am Lastkondensator. So sperrt seine Body-Diode in Richtung Last, solange er aus ist.
- R1, 100 kΩ (Gate–Source): schaltet T1 ab, wenn keine Spannung anliegt, und bildet mit R2 einen Teiler, der die Gate-Source-Spannung im Betrieb auf 12 V festlegt.
- R2, 100 kΩ (Gate–Masse): zieht das Gate langsam nach unten und liefert den Strom, der C1 umlädt.
- C1, 330 nF (Gate–Drain): der Miller-Kondensator. Er legt die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung fest.
- C2, 4,7 μF (Gate–Source): hält T1 im Moment des Einsteckens aus. Ohne ihn würde C1 das Gate auf Masse festhalten und T1 sofort voll einschalten.
- C_L, 2200 μF / 35 V: der Kondensator, um den es geht, etwa der Zwischenkreis eines Motortreibers.
So funktioniert die Schaltung
Einstecken. Der Eingang springt auf 24 V. C1 und C2 bilden einen kapazitiven Teiler; das Gate springt so mit, dass zwischen Gate und Source nur 24 V · 330 nF / 5,03 μF ≈ 1,6 V liegen. Das ist unter der Schwellspannung von mindestens 2 V, T1 bleibt aus.
Warten. R2 zieht das Gate langsam Richtung Masse, gebremst von C1 und C2. Nach rund 40 ms erreicht die Gate-Source-Spannung die Schwelle, T1 beginnt zu leiten.
Rampe. Sobald Strom fließt, steigt die Ausgangsspannung. Über C1 zieht sie das Gate mit nach oben – das bremst T1. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein: Die Gate-Source-Spannung bleibt auf dem sogenannten Miller-Plateau von etwa 3,5 V, und die Ausgangsspannung steigt genau so schnell, dass der Strom durch C1 dem Strom durch R2 entspricht. Das ist ein Integrator: konstanter Strom, konstante Steigung, konstanter Ladestrom in C_L.
Voll an. Hat der Ausgang die Eingangsspannung erreicht, endet das Plateau. Das Gate läuft weiter nach unten, bis R1 und R2 es bei 12 V Gate-Source-Spannung halten. T1 ist jetzt voll durchgeschaltet und verliert bei 3 A nur 0,14 W.
Dimensionierung
Ziel: 2200 μF an 24 V mit etwa 1 A laden.
1. Anstiegsgeschwindigkeit. Der Ladestrom ist I = CL · dU/dt. Für 1 A:
Die Rampe dauert damit 24 V / 455 V/s ≈ 53 ms.
2. Strom durch R2 auf dem Plateau. Das Gate liegt dann UPl ≈ 3,5 V unter der Source. Durch R2 fließt (24 V − 3,5 V) / 100 kΩ = 205 μA, über R1 kommen 3,5 V / 100 kΩ = 35 μA zurück. Netto lädt C1 mit 170 μA um.
3. Miller-Kondensator.
Gewählt: 330 nF. Damit wird dU/dt = 515 V/s und der Ladestrom 2200 μF · 515 V/s ≈ 1,13 A – die Simulation ergibt 1,12 A.
4. C2 gegen das Einschalten beim Einstecken. Der Sprung der Gate-Source-Spannung beträgt U · C1 / (C1 + C2). Er muss unter der kleinsten Schwellspannung bleiben, beim IRF4905 2 V:
Gewählt: 4,7 μF Keramik. Mit Reserve bleibt die Spannung bei 1,6 V.
5. Verlust im MOSFET. Während der Rampe setzt T1 genau so viel Energie in Wärme um, wie anschließend im Kondensator steckt:
Über 50 ms verteilt sind das im Mittel 12 W, zu Beginn der Rampe 27 W. Für so kurze Pulse erlaubt der sichere Arbeitsbereich (SOA) des IRF4905 bei 24 V mehrere Ampere; die Erwärmung des Chips bleibt bei wenigen Kelvin. Prüfe den SOA aber immer, wenn C_L größer wird oder die Rampe länger – dann wächst die Energie, und bei langen Rampen wird der lineare Betrieb zum Risiko.
Die Ladekurve eines Kondensators über einen Widerstand rechnet der Kondensator-Rechner – zum Vergleich mit der linearen Rampe hier.
Bauteilliste
| Bezeichner | Wert/Typ | Hinweis |
|---|---|---|
| T1 | IRF4905 | P-MOSFET 55 V, TO-220; Source am Eingang |
| R1, R2 | 100 kΩ, 0,25 W | Teiler legt U_GS auf 12 V |
| C1 | 330 nF / 50 V | Folie oder Keramik X7R, Gate–Drain |
| C2 | 4,7 μF / 25 V | Keramik X7R, Gate–Source |
| C_L | 2200 μF / 35 V | Last-Elko |
Varianten
NTC am Netz. In Netzteilen bis einige hundert Watt sitzt ein NTC-Heißleiter in der Netzleitung. Kalt hat er einige Ohm und begrenzt den Ladestrom des Zwischenkreis-Elkos, im Betrieb erwärmt er sich und wird niederohmig. Sein Nachteil: Nach kurzem Aus- und Wiedereinschalten ist er noch heiß und begrenzt kaum.
Widerstand mit Relais. Große Ringkerntrafos ziehen beim Einschalten wegen der Kernsättigung ein Vielfaches ihres Nennstroms, auch ohne Elko dahinter, und lösen Sicherungsautomaten aus. Ein Widerstand von einigen zehn Ohm in Reihe begrenzt den Stoß; nach etwa 100 ms überbrückt ihn ein Relais. Das passt etwa vor einen großen Brückengleichrichter mit Glättung.
Kombiniert mit Verpolungsschutz. Ein zweiter P-MOSFET Rücken an Rücken – Drain an Drain – sperrt in beiden Richtungen und schützt zugleich vor Verpolung, siehe Verpolungsschutz mit MOSFET.
Hot-Swap-Controller. Bausteine wie der TPS2663 oder eFuses messen den Strom, regeln den Ladestrom aktiv, überwachen die Verlustleistung im MOSFET und schalten bei Kurzschluss ab. Sie verbinden Einschaltstrombegrenzung und elektronische Sicherung.
Verzögert statt rampenförmig. Wer nur eine Wartezeit braucht und keinen begrenzten Strom, greift zur Einschaltverzögerung mit RC-Glied.
Typische Fehler
- C2 fehlt: Beim Einstecken hält C1 das Gate auf dem Potential des leeren Ausgangs, T1 schaltet voll ein – der Stromstoß kommt trotzdem. Beim Einschalten über einen Schalter hinter dem Netzteil fällt das oft nicht auf, beim Einstecken schon.
- MOSFET verkehrt herum: Mit dem Drain am Eingang lädt die Body-Diode C_L ungebremst. Die Source gehört zum Eingang.
- Last zieht schon während der Rampe: Ein Schaltregler am Ausgang startet bei wenigen Volt und zieht dann umso mehr Strom, je niedriger die Spannung ist. T1 wird heiß oder verlässt seinen SOA. Den Regler über seinen Enable-Eingang erst nach der Rampe freigeben.
- Schnelles Aus- und Einstecken: Hat die Last C_L schon entladen, C2 aber noch nicht, startet T1 ohne Wartezeit oder mit verkürzter Rampe. Ein Entladewiderstand an C2 oder eine Freigabe der Last erst nach der Rampe hilft.
- Rampe zu langsam bei großem C_L: Die Energie im MOSFET hängt nur von C_L und U ab, nicht von der Rampendauer. Eine lange Rampe senkt die Leistung, verlängert aber die Belastung. Im Datenblatt den SOA für die tatsächliche Pulsdauer prüfen.
Selbsttest
Wie groß ist der Ladestrom, wenn 1000 μF mit 200 V/s geladen werden?
1000 μF · 200 V/s = 0,2 A.
Wozu dient C2 zwischen Gate und Source?
Er verhindert, dass der Spannungssprung beim Einstecken über C1 das Gate mitzieht und T1 sofort einschaltet.
Wie viel Energie verheizt der MOSFET beim Laden von 4700 μF auf 12 V?
0,5 · 4700 μF · (12 V)2 ≈ 0,34 J – genauso viel, wie danach im Kondensator steckt.
Warum begrenzt ein NTC beim schnellen Wiedereinschalten kaum?
Er ist noch heiß und damit niederohmig.
Was passiert auf dem Miller-Plateau?
Die Gate-Source-Spannung bleibt fast konstant, der Strom durch R2 fließt über C1 ab, und die Ausgangsspannung steigt mit konstanter Geschwindigkeit.