Schaltungsschutz SMD-Sicherungen im Auto müssen höchste Anforderungen erfüllen

Autor / Redakteur: Michael Roach * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

SMD-Sicherungen erobern zunehmend auch Kfz-Applikationen. In diesem Beitrag erfahren Sie mehr über zwei der gebräuchlichsten Arten: Solid-Body (Chip)-Sicherungen und Wire-in-Air-Sicherungen.

Firmen zum Thema

Fahrzeuganwendungen: Die hohen Anforderungen im Kfz treiben Leistungsverbesserung bei SMD-Sicherungen voran.
Fahrzeuganwendungen: Die hohen Anforderungen im Kfz treiben Leistungsverbesserung bei SMD-Sicherungen voran.
(Bild: AEM Components)

Oberflächenmontierbare Sicherungen sind weit verbreitet und allgemein anerkannt als zuverlässiges Mittel zum Schutz von Schaltungen vor Fehlerzuständen. Gleichzeitig verlangt der umfassende Einsatz von Elektronik in heutigen „intelligenten“ und „vernetzten“ Automobilen aber auch oberflächenmontierbare Sicherungen zum Schutz dieser Embedded-Systeme. Energiespeicheranwendungen erfordern zuverlässige Überstromschutzvorrichtungen, um katastrophale Situationen zu verhindern. Diese neuen Entwicklungstendenzen in der Automobilindustrie treiben Verbesserungen der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von SMD-Sicherungen immer weiter voran.

Bildergalerie

Zwei der gebräuchlichsten Arten von Einweg-SMD-Sicherungen sind Solid-Body (Chip)-Sicherungen und Wire-in-Air-Sicherungen. Es werden kurz die geeigneten Anwendungen für jede Art zusammengefasst und die und Vor- und Nachteile alternativer Sicherungsstrukturen besprochen. Schließlich werden die Ergebnisse von Vergleichstests vorgelegt, die Real-World-Szenarien simulieren und die Leistungsverbesserungen zeigen, die mit der neuesten Generation von SMD-Sicherungen möglich sind.

Wachsender Bedarf an besserem Schaltungsschutz

Industrielle Steuerungen, intelligente Automobile sowie smarte leistungsfähige tragbare und persönliche Elektronik erfordern immer weitere Fortschritte im Bereich der Embedded-Technologien, bewirken aber auch eine ständig wachsende Nachfrage nach leistungsfähigeren Energiespeicher-Batteriesystemen. Die Konvergenz dieser beiden Trends erhöht die Messlatte sowohl für die Leistungsfähigkeit als auch die Zuverlässigkeit von Schaltungsschutzvorrichtungen.

Rückstellbare Bauelemente sind die ideale Wahl, wenn Überstromzustände auf eine vorübergehende Störung zurückzuführen sind. In vielen Anwendungen jedoch ist die klassische Einwegsicherung

immer noch die beste Wahl, insbesondere wenn Fehlerströme zu schweren Schäden an anderen Schaltungen oder Systemen führen können.

In vielen Anwendungen kommen herkömmliche clip-montierte Glasrohrsicherungen zum Einsatz. Flachsicherungen in Automobilanwendungen sind Flachsicherungen allgegenwärtig. Doch der Schritt hin zu einem geringeren Funktionsumfang und zu verteilter und integrierter elektronischer Funktionalität erhöht den Bedarf an hochleistungsfähigen SMD-Sicherungen.

Bekanntlich führen technologische Fortschritte in einer Branche zur Einführung eben dieser Technologie in oft ganz anderen Anwendungsbereichen.

Immer hellere, effizientere und leichtere Displays z.B., die zunächst von der Fernsehindustrie entwickelt wurden, sind mittlerweile ein fester Bestandteil kommerzieller, Consumer-, Industrie-, Militär-, Luft- und Raumfahrtanwendungen. In ähnlicher Weise scheinen beim Schaltungsschutz die Anforderungen der Automobilindustrie für kontinuierliche Weiterentwicklungen zu sorgen.

Während die meisten Automobile und auch Nutzfahrzeuge den Fahrgästen eine angenehme Umgebung bieten, sind die elektronischen Anwendungen im Fahrzeug rauesten Bedingungen ausgesetzt, wie großen Temperaturschwankungen, Stößen und Vibrationen, Feuchtigkeit, Wasser und Salz.

Traditionell sorgten Flachsicherungen in einem Sicherungskasten unter dem Armaturenbrett für den nötigen Fehlerschutz. Doch zunehmend verlangen intelligentere und vernetzte Vehikel mit immer mehr eingebetteten und verteilten Elektronikanwendungen nach einem leiterplattenmontierten Schaltungsschutz. Mit der rasanten Zunahme von Elektrofahrzeugen (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeugen – zumeist mit leistungsstarken Lithium-Batteriesystemen – ist die Nachfrage nach zuverlässigen Schaltungsschutzvorrichtungen gegen katastrophale Ausfälle zu einem wesentlichen Faktor geworden. Und diese Anwendungen legten den Schwerpunkt auf eine noch bessere SMD-Sicherungstechnologie.

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.

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.

(ID:44748226)