PTC-Thermistor PTC-Thermistoren schützen paarweise vor Überstrom in der Telekommunikation

Autor / Redakteur: Bart Wouters und Bruno Van Beneden* / Stefan Liebing

Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) schützen Schaltkreise in Telekommunikationsanlagen vor Überspannungen/-strömen durch Blitzeinschlag und vor Fehlerzuständen wie Induktionsströme oder Netzkontakt. Da immer mehr Funktionen und Leistungsmerkmale auf eine Leiterplatte gepackt werden, sind Platz sparende SMDPTCs nötig. Eine Anforderung, die jüngste Modelle sogar im Doppelpack erfüllen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Telekommunikationsanlagen in zentralen Vermittlungsstellen (CO – Central Office) und in Untervermittlungen beim Kunden (CPE – Customer Premises Equipment) unterliegen ITU (International Telecommunication Union)Teststandards für Überspannungen/-ströme bei Blitzeinschlag. Schutz gegen Fehler wie Induktionsströme oder Netzkontakt muss ebenso bestehen.

Darum kombinieren Entwickler PTCs mit anderen Spannungs- und Störimpuls-unterdrückenden Bauteilen wie z.B. Break-Over-Dioden (BOD) oder Gasentladungsröhren (GDT – Gas Discharge Tubes). Der hochohmige PTC-Thermistor schützt bei mittleren und längeren Überspannungen/-strömen indem er bei Überlast schnell reagiert und den Strom sperrt. Ist der Fehler behoben, kehrt der Baustein zu-rück in seinen ursprünglichen Zustand. a/b-Schnittstellen benötigen neben zwei PTCs zusätzliche Komponenten, um die Toleranzen untereinander abzugleichen. Hierfür bieten sich Vertikale-Doppel-PTCs an. Ihre Bauform schafft Platz für Kühlung und zusätzliche Funktionen auf der Leiterplatte.

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Ein Gehäuse beherbergt ein Thermistorpaar

Neueste Keramikbauteile integrieren ein angepasstes Thermistorpaar in einem einzigen Gehäuse. Seine Fläche ist kleiner als die Einzelbausteine der ersten Generation. Damit sparen Entwickler bis zu 65% Platz bei Überstromschutzschaltkreisen. Zwei voll metallisierte Keramik-PTCs aus hochreinem, dotiertem Bariumtitanat bilden das Doppelkonzept. Fixiert mit einem speziellen, T-förmigen Keramik-Abstandhalter, sind sie mechanisch und thermisch stabil. Elektrisch verbinden lassen sie sich über vier weit voneinander angebrachte Anschlüsse. Die rechteckige Keramikform reduziert Volumen und Leiterplattenplatz auf ein Minimum. Je nach Größe von Keramik und Abstandhalter, beträgt die Bauteilfläche zwischen 55 und 72 mm². Bei Höhen von unter 7 oder sogar unter 6 mm lassen sie sich automatisch bestücken.

Aufgrund des verringerten Volumens des Keramikgehäuses, liegen die Reaktionszeiten innerhalb der Stromanforderungen. Der Widerstand der PTCs beruht auf vorselektierten Werten, die bei 25 °C bis zu 0,2 V Differenz betragen. Weil der keramische Abstandshalter die PTCs thermisch koppelt, ist der Temperaturunterschied zwischen dem a/b-Schnittstellen-PTC klein. Im Temperaturbereich von 0 bis 85 °C, kann das Anpassungsverhältnis doppelt so hoch sein wie die garantierte Anpassung bei 25 °C.

Derzeitige Widerstandswerte decken viele Schutzarten in der Telekommunikation ab. Sie reichen von 10 bis zu 50 V. Niedrigere, bis herab zu 4 V, gibt es für spezielle Anwendungen mit reduzierter Fehlerspannung. Für die unterschiedlichen Überlasten sind zwei Gehäusetypen erhältlich. Deren Größe entscheidet den Widerstandswert und die maximale Stromaufnahme.

Widerstandstoleranzen bestimmen das Auslösen

Ein gängiges Verhältnis zwischen dem Nicht-Auslösen und Auslösen eines Überstromschutzes liegt um die 2,0. Bestimmt wird dieses durch die Widerstandstoleranzwerte sowie durch die reproduzierbare Genauigkeit der Schalttemperatur und der Montagebedingungen. Möglich sind Werte bis herab zu 1,4. Bild 1 zeigt die Standard-Trip-Hold-Verhältnisse in der Telekommunikation.

Die Auslösedauer hängt ab vom anliegenden Überstrom, der Schalttemperatur und deren Unterschied zur Gehäuseumgebungstemperatur vor dem Auslösen. Stromwerte, die über dem spezifizierten Auslösestrom liegen, verursachen lange Auslösezeiten, die bei höheren Strömen schneller abfallen. Typische Werte bei einer Temperatur von 25 °C veranschaulicht Bild 2.

Die Standard-Reflow-Prozessparameter JSTD-020B nach JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council, heute bekannt unter Solid State Technology Association) lassen sich für bleihaltiges als auch bleifreies Löten anwenden. Das Bauteil wird auf ein spezielles Lötauge gelötet. Dessen Kupferoberfläche leitet Wärme vom Keramikgehäuse auf die Leiterplatte.

So wirkt der Schutz bei Blitzeinschlag

Als erste Schutzmaßnahme greift meist eine Gasentladungsröhre. Mit ihr lassen sich Spannungen über 900 Vp sowie länger andauernde Leistungsverluste und leitungsgebundene Fehlerströme gegen Masse abfangen. Der zweite Überspannungsschutz weist eine Abfangspannung unterhalb des Schutzwertes der ersten Stufe auf. Um die Schutzstufen zu koordinieren, agieren PTCs als Serienwiderstand. Dieser bringt den Spitzenstrom durch die zweite Schutzvorrichtung auf ein sicheres Niveau. Keramik-PTCs reagieren spannungsabhängig. Deshalb soll der Anwender die Widerstandswerte bei Spitzenspannung heranziehen und nicht die spezifizierten Kaltwiderstandswerte bei 25 °C.

Tritt ein Spannungsstoß über 1000 Vp auf, kann der Kaltwiderstand der PTCs, abhängig vom seriellen Widerstand, leicht um den Faktor 2 bis 3 abnehmen. Der ITUT-Überspannungstestgenerator besitzt einen Ausgangswiderstand von 15 V sowie einen seriellen Widerstand von 25 V. Im schlimmsten Fall erzeugt ein simulierter Blitzschlag 1500 V Überspannung. Hier liegt der Spannungsabfall am PTC meist unter 500 Vp.

Induktionsströme und Netzkontakt verhindern

Während der Induktionstests mit begrenzten Stromwerten kann es vorkommen, dass der PTC in seinen Hochwiderstandszustand gelangt. Löst der PTC während längerer Fehlerzustände aus, greift die vereinbarte erste Schutzvorrichtung und führt den Fehlerstrom gegen Masse. Die Spannung am PTC verringert sich weit unter dessen Durchbruchspannung. Die rechteckigen PTCs in vertikaler Doppel-SMD-Ausführung besitzen Durchbruchspannungen über 500 V|. Längere Fehlerdauer und höhere Ströme erfordern einen Erstschutz, der die maximale Wechselspannung am PTC unterhalb dieser Werte hält.

Netzkontakte entstehen, wenn Netzleitungen auf Grund von Kabelfehlern, fehlerhaften CPEs oder andere Ereignisse die Telekommunikationsleitungen stören. Der Widerstand der Quellenspannung reicht dabei von 10 V für Fehlerzustände in Gebäuden bis hin zu 1000 V für weiter entfernte Fehler.

Der vertikale Doppel-PTC reagiert schnell auf Netzkontakte. Laut den ITUT-Anforderungen müssen einige Tests Kriterium B erfüllen. Das bedeutet: Aus dem Test darf sich keine Feuergefahr ergeben. Tritt ein Schaden auf, muss er sich auf einen kleinen Teil beschränken. Die meisten der vertikalen Doppel-PTCs widerstehen sämtlichen Netzkontakten von 10 bis 1000 V ohne Fehler und bestehen somit die Tests nach Kriterium A. Das heißt: Sie arbeiten auch nach dem Test innerhalb der spezifizierten Werte korrekt.

*Bart Wouters und Bruno Van Beneden arbeiten in der Vishay DraloricBeyschlag & NonLinear Resistors Division

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