Schaltungsschutz

SMD-Sicherungen im Auto müssen höchste Anforderungen erfüllen

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Typen von SMD-Sicherungen

Die gebräuchlichsten Typen von SMD-Sicherungen sind Solid-Body- und Wire-in-Air-Sicherungen. In ähnlicher Weise wie Chip-Induktivitäten und mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) werden diese in unterschiedlichsten EIA-Standardgehäusen verpackt, deren Größen durch die jeweilige technische Verwendung und die Stromstärken bestimmt werden.

Solid-Body (Chip)-Sicherungen werden in vielen platzbeschränkten Anwendungen wie tragbare elektronische Geräte, Unterhaltungssysteme, Festplattenlaufwerke eingesetzt. Die Strombelastbarkeit liegt typischerweise im Bereich von 125 mA bis zu mehreren Ampere. Diese Bauelemente werden sowohl in Schnell- (fast-acting) und Zeitversionen (time-lag) angeboten.

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Wire-in-Air- (Draht-in-Luft-)Sicherungen finden sich üblicherweise in Anwendungen mit höheren Betriebsströmen, bei denen eine schnell wirkende Auslösung und bessere Lichtbogenunterdrückung erforderlich sind. Zu den Anwendungen gehören Batterieladegeräte, Akkupacks und Schaltungen mit sehr hohen Fehlerströmen und höheren Spannungen.

Solid-Body-Sicherungen

Die beiden gebräuchlichsten Strukturen für Solid-Body (Chip)-Sicherungen sind der Mehrschicht-Keramiktyp und der Leiterplattentyp. Die Mikrophotographie in Bild 1 zeigt einen Vergleich dieser beiden Konstruktionstechniken.

Der Keramiktyp auf der linken Seite besitzt eine monolithische Einbrand-Struktur mit zwei eingebetteten Schichten Schmelzmaterial. Bei der Leiterplattenstruktur auf der rechten Seite besteht das Bauelement hauptsächlich aus der Struktur aus Epoxidharz und Glasfasergewebe (FR4). Das Sicherungselement ist mit der Oberfläche der Leiterplatte verbunden und mit einem Schutzpolymer beschichtet.

Während der Leiterplattentyp der gebräuchlichste ist, bietet der Keramiktyp aufgrund seiner monolithischen Struktur einige entscheidende Vorteile: höhere Nennströme in einem kleineren Gehäuse, einen breiteren Betriebstemperaturbereich und stabile Betriebseigenschaften auch unter extremen Bedingungen. Die Struktur ist zudem weniger anfällig für mechanische Beschädigungen.

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungskriterium dieser beiden Arten von Sicherungen ist, wie sie mechanisch auf einen Fehlerzustand reagieren. Bild 2 zeigt einen Vergleich zwischen SolidMatrix-Sicherungen von AEM Components und herkömmlichen Chip-Sicherungen. Bei den AEM-Bausteinen ist das Sicherungselement in das Keramikgehäuse diffundiert. Es sind keine äußerlichen Veränderungen sichtbar. Bei den herkömmlichen Chip-Sicherungen sind Lichtbogenbildung und Oberflächenbeschädigung aufgrund des Fehlerstroms offensichtlich.

Wire-in-Air-Sicherungen

Bild 3 zeigt zwei Varianten von Wire-in-Air-Sicherungen. Das Bild oben zeigt eine Schnitt­ansicht der üblichen Konstruktion für diese Art von Sicherung, bei der das Schmelzdrahtelement innerhalb eines Keramikrohres untergebracht und mit Lötperlen mit den Endkappen verbunden ist. Das untere Bild ist eine Schnittansicht der von AEM Components entwickelten Hochleistungs-Wire-in-Air-Sicherung. Das Sicherungselement des AEM AirMatrix-Bausteins, der eine lötfreie Konstruktion verwendet, verteilt sich gleichmäßig gerade über den Hohlraum und ist extern mit der Endkappe verbunden.

Herkömmliche Wire-in-Air-Sicherungen besitzen einige Nachteile. Das Ablösen der Endkappen ist eine häufige Fehlerquelle bei der traditionellen Konstruktion. Auch da das Drahtelement innerhalb des Keramikrohrs variabel platzierbar ist, ist die Leistung nicht gleichmäßig. Zudem kann unter hohen Strombelastungen, wie in Bild 4 dargestellt, das Lötmittel im Keramikrohr verdampfen und wieder abgeschieden werden, wodurch ein sekundärer leitfähiger Pfad mit potenziell schwerwiegenden Folgen entsteht. Hohe Ströme bzw. große Hitze führen zum Verdampfen des Lötmittels, zum Aufbau von Druck und schließlich zum Ausfall bzw. Öffnen der Sicherung. Im Anschluss sinkt die Temperatur, das Lötmittel kondensiert und lagert sich über der Schaltung wieder ab, wo es eine potenzielle Kurzschlussquelle ist.

Die fortschrittlichen Sicherungen von AEM Components überstanden 450 V/450 A (Bild links) ohne äußere Beschädigungen, während die herkömmlichen Sicherungen – Muster A bei 250 V/250 A (Bild Mitte) und Muster B bei 450 V/450 A (Bild rechts) – beträchtliche Schäden an den Sicherungen und der umgebenden Schaltung aufwiesen. In den oben gezeigten Wellenformen fällt der Stromfluss (gelbe Kurve) durch die AEM-Sicherung auf Null ab, während bei den Mustern A und B jeweils ein Sekundärstrom fließt, der letztendlich zur Beschädigung der Leiterplatte führt. Die Spannung (grüne Kurve) zeigt einen Leerlauf für die AEM-Sicherung ohne sekundären Stromfluss an.

Automotive treibt Leistungsverbesserungen

Die Anforderungen der Automobilindustrie nach zuverlässiger und reproduzierbarer Leistungsfähigkeit von SMD-Sicherungen führten zur nächsten Generation von Solid-Body- und Wire-in-Air-Bauelementen. Wie bei vielen Weiterentwicklungen wirken sich die hier erworbenen Fortschritte auch vorteilhaft in zahlreichen anderen Anwendungen in der Unterhaltungs-, Industrie- und sogar der Milaero-Elektronik aus.

* Michael Roach ist Technical Sales Manager bei AEM Components.

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