Schaltungsschutz Passive Bauteiltechnologien zum Schutz vor Überstromereignissen

Von Lee Bourns *

Heute gibt es zahlreiche passive Bauteilte, die einen hervorragenden Überstromschutz bieten. Doch wie lässt sich die Suche nach dem optimalen Schutz einer bestimmten Anwendung eingrenzen?

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Bild 1: Bei rückstellbaren Sicherungen der PPTC-Multifuse-Familie steigt der Widerstand unter Fehlerbedingungen exponentiell an. Sobald der Fehler behoben ist, kehrt das Schutzelement in seinen normalen Zustand mit niedrigem Widerstand zurück.
Bild 1: Bei rückstellbaren Sicherungen der PPTC-Multifuse-Familie steigt der Widerstand unter Fehlerbedingungen exponentiell an. Sobald der Fehler behoben ist, kehrt das Schutzelement in seinen normalen Zustand mit niedrigem Widerstand zurück.
(Bild: Bourns)

Elektrische und thermische Schäden sind in der elektronischen Welt leider an der Tagesordnung. Obwohl die Konstrukteure angemessene Vorkehrungen treffen, um solche Ereignisse zu verhindern, sind Unfälle, unsachgemäßer Gebrauch oder ein extremes Ereignis durch Mutter Natur immer eine Möglichkeit. Eine Beschädigung eines Stromkreises führt in der Regel entweder zu einem offenen Stromkreis (bei der das Gerät nicht mehr funktioniert) oder zu einem Kurzschluss, der zu einem Stromschlag oder einem Brand führen kann. Der Vorteil eines eingebauten Überstromschutzes besteht darin, dass diese Kurzschlüsse in offene Stromkreise umgewandelt werden, wodurch das Gerät vielleicht unbrauchbar wird – aber sicher bleibt!

Charakterisierung von Überstromtechnologien

Zum besseren Verständnis der besten Komponenten für diese Aufgabe ist es sinnvoll, zunächst die Maßnahmen zu kategorisieren, die eine Überstromschutzkomponente ergreift, um weitere Schäden zu verhindern.

Alle Überstromtechnologien lassen sich durch folgende Eigenschaften charakterisieren:

  • Impedanz unter Normalbedingungen: Alle Überstromschutztechnologien sorgen für eine gewisse Impedanz in der zu schützenden Leitung. In den meisten Fällen ist die Minimierung dieses Impedanzwerts ein wichtiger Leistungsparameter, da der damit verbundene Leistungsverlust immer ein Problem darstellt.
  • Schwellenwert der Stromempfindlichkeit: Die Anforderungen an den „Auslösestrom“ reichen von Milliampere bis zu Hunderten von Ampere.
  • Fähigkeit, Spannung abzublocken: Sobald die Überstromschutzvorrichtung ausgelöst wird, muss sie die Quellenspannung, die den Strom antreibt, „abblocken“. Dies kann von einigen Volt bis zu Hunderten von Volt reichen.
  • Temperatursensibilität: Bei einigen Anwendungen kann die Umgebungstemperatur stark schwanken – insbesondere bei Anwendungen im Freien. Die thermische Sensibilität des eingesetzten Schutzes muss bekannt sein, damit Fehlauslösungen und unbeabsichtigte thermische Auslösungen vermieden werden.

Als Schalter wirkende Überstromschutztechnologien

Die meisten Schutztechnologien wirken wie ein Schalter, der problematische Schaltkreise von der Stromquelle trennt. Bei einigen Technologien handelt es sich um einen Einmal-Vorgang, bei dem der Stromkreis nicht ohne Eingriff wieder aktiviert werden kann. Sicherungen sind die gebräuchlichsten Vorrichtungen in dieser Kategorie, und einfache Einmalsicherungen sind eine kostengünstige Lösung.

Jedoch sind nicht alle Stromkreisfehler dauerhaft, und eine Rücksetzfunktion kann die Lebensdauer vieler Gerätetypen verlängern. Stromkreisunterbrecher sind elektromechanische Vorrichtungen, die thermisch (wenn sich der Innenwiderstand durch anhaltende Überströme erwärmt) oder magnetisch (auf Grundlage der momentanen Stromstärke) auslösen können. Die meisten Stromkreisunterbrecher erfordern einen Eingriff, d. h. jemand muss sie manuell zurücksetzen, um den Stromkreis wiederherzustellen.

Automatisch zurücksetzende Technologien

Andere rücksetzbare Technologien wie PTC-Widerstände (Positive Temperature Coefficient) und TBU-Einheiten (Transient Blocking Unit) setzen sich automatisch zurück, wenn die Schaltkreisbedingungen zeigen, dass der Fehler behoben wurde.

Wie der Name schon sagt, steigt der Widerstand von PTC-Widerständen mit zunehmender Temperatur. In Fehlerszenarien, in denen die Ströme den PTC-Auslösestrom überschreiten, erhöht der übermäßige Strom den PTC über eine kritische Temperatur, die den Widerstand ein wenig ansteigen lässt. Dadurch steigt die Wärmeableitung im PTC weiter an, was den Widerstand noch weiter erhöht und zu einem thermischen Durchgehen führt, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. An diesem Punkt ist der Widerstand so hoch und der Strom so gering, dass die abgeleitete Wärme die Temperatur des PTC nicht mehr erhöht. Wenn der Fehler behoben ist, kühlt der PTC ab und der Widerstand sinkt, wodurch wieder normale Ströme fließen können.

TBU-Bauteile sind integrierte Schaltungen auf FET-Basis mit zwei Anschlüssen, die den Strom erfassen und innerhalb von Mikro­sekunden auf Ströme reagieren können, die ihren Nennauslösestrom überschreiten. Nach der Auslösung werden die internen FET-Bauteile mit einem geringen Ruhestrom (~1 mA) im ausgeschalteten Zustand gehalten, bis der Fehler behoben ist. Nach der Fehlerbehebung kehrt die TBU in ihren normalen Niederohmzustand zurück.

Organisationen für Sicherheitsnormen (z. B. Underwriters Laboratories) stehen selbstrückstellenden Technologien im Allgemeinen skeptisch gegenüber, da Stromkreise, die wieder als „sicher“ galten, ohne Vorwarnung wieder unter Spannung gesetzt werden können und erneut zu einer Stromschlag- oder Brandgefahr werden. Aus diesem Grund werden selbstrückstellende Vorrichtungen generell nicht in Wechselstrom-Eingangsstromkreisen verwendet, in denen Sicherheitszertifizierungen erforderlich sind.

Schutzelemente zum Begrenzen des Überstroms

Überstrombegrenzungstechnologien versuchen nicht, den Strom vollständig abzuschalten, sondern den Strom auf ein bestimmtes, sicheres Niveau zu begrenzen oder zu regulieren.

Seit den Anfängen der Entwicklung elektronischer Schaltungen ist die gebräuchlichste Technik zur Begrenzung plötzlicher Strom­anstiege die Verwendung von Drosselspulen oder Induktoren. Diese begrenzen transiente Ströme mit Hilfe der konventionellen elektromagnetischen Physik und gehören zu den einfachsten und zuverlässigsten Lösungen. Sie sind jedoch nur gegen vorübergehende Ereignisse wirksam.

Wenn ein Fehler andauert, ist ein anhaltender Überstrombegrenzer erforderlich. Dabei handelt es sich um komplexere elek­tronische Schaltungen, die manchmal als elektronische Stromregler (ECR) bezeichnet werden.

In dieser Kategorie wird der Strom durch den mit der TBU-Vorrichtung verwandten Überstrombegrenzer (Transient Current Suppressor, TCS) nicht vollständig abgeblockt. Während andere Technologien in der Regel in Stromversorgungsschaltungen eingesetzt werden, ist ein TCS-Bauelement aufgrund seiner schnellen Reaktion und geringen Größe ideal für empfindliche Telekommunikations- und Datenschaltungen.

Metallbasierende Kernmaterial-Technologien

Metallbasierte Vorrichtungen umfassen die bekannten Einmal-Schmelzsicherungen. Länge und Durchmesser des Schmelzdrahts sind sorgfältig kalibriert, wodurch er zu einem bestimmten Zeitpunkt und bei einer bestimmten Stromstärke schmilzt. Der Schmelzdraht befindet sich in einem Glas- oder Keramikrohr. Diese Technologie ist in bedrahteter, SMD- oder halterbefestigter Form erhältlich und eine der wirtschaftlichsten Möglichkeiten, den Wechselstrom­eingang in praktisch jedem elektrischen Gerät zu schützen. Schmelzsicherungen sind beliebte Lösungen, die in der heutigen hoch elektrifizierten Welt Brände verhindern helfen. Diese Sicherungen sind in der Regel für einen Austausch nicht zugänglich, da eine ausgefallene Sicherung in der Regel bedeutet, dass ein anderer nicht reparierbarer Schaden aufgetreten ist.

Andere Sicherungen verwenden eine dünne Leiterplatte (PCB) aus Metall als Schmelz­element in einem PCB-„Sandwich“. Sie werden in der Regel aus herkömmlichen „FR4“ PCB-Substraten hergestellt und sind in ihrer Reaktion kontrollierter und vorhersehbarer als eine offene Leiterbahn. Dies ist auf die engen Fertigungstoleranzen und den Schutz vor Verunreinigungen zurückzuführen, den deren Hülle bietet. Sie werden häufiger für interne Stromkreise verwendet, da die Technologie die Nennspannung auf unter 100 VDC begrenzt.

Metalltechnologien sind in Bezug auf ihre Impedanz und ihren Auslösestrom von normalen Temperaturschwankungen weitgehend unbeeinflusst. Dies ist bei den PTC-Vorrichtungen nicht der Fall. Da sie auf ihre Eigentemperatur reagieren, wirkt sich auch die Umgebungstemperatur auf ihren Ansprechpunkt aus. Dies ist nicht unbedingt ein negativer Leistungsaspekt, da viele Anwendungen davon profitieren würden, wenn sie in kalten Umgebungen, in denen eine Überhitzung weniger wahrscheinlich ist, keine störenden Auslösungen hätten.

Keramische PTC-Thermistoren als Strombegrenzer

Keramische Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten (CPTC) bieten einen hohen Widerstand, da sie aus metallisierten Bariumtitanat-Keramikscheiben bestehen, die bei steigender Temperatur eine Phasenänderung erfahren. Als keramische Bauelemente sind sie aus elektrischer und thermischer Sicht sehr robust. Bei einer bestimmten Keramikformel bestimmt die Dicke der Scheibe die Spannung, der sie im ausgeschalteten Zustand standhalten kann, und ihr Durchmesser bestimmt ihre Impedanz und Strombelastbarkeit. Sie können auch als Heizgeräte und sogar als Temperatursensoren verwendet werden.

CPTC-Bauteile werden in der Automobilindustrie und in der Industrie eingesetzt. Elektrofahrzeuge (EVs) haben keinen Verbrennungsmotor, aus dem Abwärme gewonnen werden kann, daher werden häufig große CPTC-Vorrichtungen als Heizung eingesetzt. Da sie versuchen, ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, sind sie in der Regel selbstregulierend und nehmen nur so viel Strom auf, dass die Lufttemperatur konstant bleibt.

PTC-Thermistoren auf Polymerbasis

Polymer-Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) bestehen aus einer Mischung aus einem Polymer (HDPE oder PVDF), das sich bei Wärme ausdehnt, und einem leitenden Medium (wie Ruß oder Titancarbid). Mit zunehmender Temperatur der Mischung werden die leitfähigen Teilchen durch das expandierende Polymer voneinander weggezogen. Wenn der Fehler behoben ist, schrumpft das Polymer und die leitenden Partikel werden wieder verbunden, wodurch der Widerstand der Einheit sinkt.

PPTCs sind nicht für eine unbegrenzte Anzahl von EIN-AUS-EIN-Zyklen ausgelegt, aber sie sind sehr effektive „Wachhunde“ in Anwendungen, die als störanfällig gelten. Zu den Anwendungsbeispielen gehören der Schutz von USB-Stromanschlüssen vor Kurzschlüssen und der Schutz von gleichstrombetriebenen Lüftern vor Stillstand, Blockierung und anderen vorübergehenden Überlastungen.

Silizium-Halbleiter als Schutzelemente

ECR-, TBU- und TCS-Bauelemente basieren alle auf Silizium-Halbleitertechnologien. Dadurch sind sie in der Lage, schnell auf vorübergehende Ereignisse zu reagieren. Als Halbleiter können sie durch elektrostatische Entladungen (ESD) beeinträchtigt werden und werden auch durch Änderungen der Umgebungstemperatur etwas beeinflusst. Glücklicherweise gibt es viele Techniken, um diese potenziellen Probleme zu lösen.

Als elektronische Bauteile werden sie häufig zum Schutz der empfindlichsten elektronischen Schaltungen eingesetzt. TBU-Vorrichtungen werden in der Regel verwendet, um Daten- und Steuereingangs- und -ausgangsleitungen vor versehentlichem Kontakt mit Stromleitungen zu schützen. Dies kann bei der Installation von Geräten durch versehentliche Fehlverdrahtungen oder Kurzschlüsse geschehen. TCS-Vorrichtungen sind in der Datenkommunikation zu Hause, wo Schaltvorgänge problematisch sein können.

Der Schutz unserer elektrifizierten Welt vor elektrischen Fehlern – verursacht durch die Natur, Unfälle oder unsachgemäßen Gebrauch – ist das Ziel der Entwicklung eines wirksamen Überstromschutzes. Es gibt zwar viele passive Stromkreisschutz­technologien zur Auswahl, aber eine sorgfältige Bewertung und geeignete Tests können dazu beitragen, dass die richtige Komponente ausgewählt wird, die den Schutzanforderungen eines Entwicklers für Elektronik­geräte entspricht.

* Lee Bourns ist Director of Marketing in der Circuit Protection Division der Bourns, Inc. in Riverside, USA.

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