Momentane Stromstöße in Wolfram-Infrarot-Heizrohren

Users of resistance heating tubes or tungsten wire Infrarot-Heizrohre are aware that when these tubes are first started, within the first minute or so, the current in the circuit is very large. This phenomenon is known as instantaneous inrush current, where the initial current is much greater than the rated current. But why does this happen?

Definieren wir zunächst den Augenblicksstrom. In einem Stromkreis wird in dem Moment, in dem er eingeschaltet wird, normalerweise ein großer Strom erzeugt. Dieser kurzzeitige große Strom wird als Momentanstrom bezeichnet. In Schaltungen mit Kondensatoren ist dies darauf zurückzuführen, dass die Kondensatoren beim ersten Einschalten aufgeladen werden müssen, wodurch ein Kurzschluss entsteht. Daher kann der Momentanstrom theoretisch sehr groß sein. Dieses Konzept ist bei Schaltungen mit Kondensatoren relativ leicht zu verstehen. Aber warum passiert das in Schaltungen mit Infrarot-Heizröhren?

Let’s first understand the material of the heating filament in Infrarot-Heizrohre—tungsten wire. Tungsten, with its high melting point, high resistivity, and good mechanical strength, is the best material for incandescent lamps among all pure metals. The heating principle of infrared heating tubes is similar to that of incandescent lamps, so tungsten wire is also used for the heating filament.

Bei 20 °C beträgt der spezifische Widerstand von Wolframdraht 5,3×10-8 Ω⋅m5,3 \times 10^{-8} \, \Omega \cdot m5.3×10-8Ω⋅m. Wie bei anderen Metallen nimmt der Widerstand von Wolframdraht mit der Temperatur zu. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Wolframdraht beträgt 5,5×10-3/100°C5,5 \times 10^{-3}/100°C5,5×10-3/100°C. Die Oberflächentemperatur des Wolframdrahtes in einer 100-W-Glühlampe liegt normalerweise zwischen 2300-2800 °C. Bei Infrarot-Heizröhren, die in der Regel eine Leistung von etwa 1000 W haben, liegt die Betriebstemperatur sogar bei über 2800 °C. Daher ist der Widerstand der Infrarot-Heizröhre während des Betriebs viel größer als ihr Widerstand bei Raumtemperatur (Kaltwiderstand).

Wie hoch sind der Kaltwiderstand und der Betriebswiderstand einer 220-V-Infrarot-Heizröhre mit 500 W? Wie sieht die Kurve der Widerstandsänderung beim Einschalten aus? Laut Testdaten aus einer Veröffentlichung in der Zeitschrift "Lighting Electrical Appliances" ändert sich der Widerstand einer Wolframdraht-Infrarotheizungsröhre von der Inbetriebnahme bis zum stabilen Betrieb von 7,45Ω auf 87,36Ω. Das bedeutet, dass bei einer stabilen Spannung von 220 V der momentane Strom beim Einschalten das Zehnfache des stabilen Betriebsstroms beträgt.

Die größte Widerstandsänderung tritt innerhalb der ersten Sekunde auf. Warum hat die Wolframdraht-Infrarot-Heizröhre also einen sofortigen Einschaltstrom beim Einschalten? Das liegt vor allem an dem geringen Widerstand von Wolframdraht bei niedrigen Temperaturen. Wenn die Spannung konstant bleibt, ist der Strom in der ersten Sekunde des Einschaltens viel größer als der Strom bei Nennleistung.

Dieses Prinzip gilt auch für traditionelle Widerstandsheizungsrohre.

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