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Sicherungen sind einfach und jeder versteht ihre Funktionsweise. Oftmals werden jedoch die Folgen einer Überspannung unterschätzt.
Littlefuse hat eine große Bandbreite an Produkten für den Schaltkreisschutz.

Auf einen Blick

Stromkreisschutz ist ein relevantes Thema für das alltägliche Leben der Endverbraucher, für den Hersteller, dessen Markenbild von der einwandfreien Funktionalität und Sicherheit seiner Produkte abhängt, und für den Entwickler, dessen Erfolg an seiner Entwicklungszeit und -qualität gemessen wird. Dieses Thema muss durch Erfahrungen und Industrie-übergreifendes Fachwissen fokussiert und verbreitet werden. Zum Beispiel stellt Littelfuse die Website www.speed2design.com bereit, die Ingenieuren schnell helfen soll, Lösungen zum Schaltkreisschutz zu finden.

Wie wichtig es ist, den Stromkreisschutz von Anfang an in die Produktentwicklungen mit einzubeziehen, soll anhand der folgenden zwei Beispiele veranschaulicht werden. Morgendämmerung, Joggen, nass-kalte Witterungsbedingungen, in Kombination mit Laufschuhen, Socken und Nylonshirt kann so für einen kurzen Moment eine elektrostatische Entladung von rund 30.000 V erzeugen. Nur ein Grund, warum das Smartphone oder jedes andere tragbare Gerät abrupt seinen Geist aufgeben kann.

Nähert man sich seinem Computer und plötzlich ist alles gelöscht, kommt sicherlich den wenigsten der Gedanke, dass der einfache Kontakt zwischen Kleidung und Computer eine kurze aber starke Entladung ausgelöst haben könnte. Für die meisten ist sicherlich ein Virus, ein zu alter Computer oder ein Hardwarefehler naheliegender.

Stromkreisschutz sollte von Anfang an in die Produktentwicklungen mit einbezogen werden. Viele Ingenieure befassen sich jedoch oftmals wegen der immer kürzer werdenden Produktentwicklungszyklen erst am Ende des Designprozesses mit dem Schutz vor Überspannung und Überstrom. „Schnelligkeit“ ist mittlerweile Schlüssel- und Unwort zugleich. Ingenieure stehen meist unter hohem Zeitdruck bei der Konzeption der Grundfunktionalitäten ihrer Geräte. Sie müssen sich innerhalb kurzer Zeit um Gestaltung und Software kümmern, einen Prototyp erstellen und die Richtigkeit ihres Konzeptes unter Beweis stellen.

Wertvolle Entwicklungszeit sparen

Mobiltelefone, Computer und Musik-Player werden nicht nur immer kleiner, sie werden darüber hinaus auch mit minimalen Spannungen betrieben, die anfälliger sind für elektrostatische Entladungen, entfernte Blitzschläge, Motorschaltvorgänge und Streuströme von verfahrenstechnischen Maschinen. In der Regel sind es nur 10.000 oder 15.000 V, jüngste Messungen zeigen aber, dass auch bis zu 30.000 V erreicht werden können.

Werden Themen wie Stromkreisschutz also erst am Ende der Entwicklungsarbeiten berücksichtigt, leidet die Funktionalität des zu entwickelnden Produktes. Da die Geräte zunehmend kleiner werden und zahlreiche Einzelteile passgenau eingearbeitet werden müssen, steht Ingenieuren auf den Platinen häufig kein Platz für Stromkreisschutzvorrichtungen mehr zur Verfügung. Schlussendlich entwerfen sie die Boards neu und verlieren dadurch wertvolle Entwicklungszeit. Zeit, die gespart werden könnte, wenn das Thema Stromkreisschutz von Anfang an in den Entwicklungsprozess eingebunden werden würde. Erfahrungsgemäß wählen viele Ingenieure aus dieser Not heraus die erstbeste Lösung und womöglich die falsche Schutzeinrichtung. Das kann zu Funktionsausfällen, geringer Zuverlässigkeit, Sicherheitsproblemen, Stromschlag oder sogar Bränden führen.

Die folgende Checkliste enthält Expertenempfehlungen von Ingenieuren, die sich intensiv mit den Themen Überspannungsschutz und Resistenz gegen Störimpulse befassen.

1. An den Stromkreisschutz bereits beim Chip-Design denken

Wird der Schaltkreisschutz zu spät im Projekt berücksichtigt, kann dies ernsthafte Auswirkungen haben. Entweder gibt es gar keinen Raum mehr für eine Schutzvorrichtung und der Designprozess muss mit hohen Mehrkosten komplett neu erfolgen. Häufig wird auch ein fauler Kompromiss für die Platzierung eingegangen, der die Funktionsweise beeinträchtigen kann.

Um dem vorzubeugen, sollten diese Aspekte bereits direkt nach der Auswahl des Chipsatzes und noch vor dem Design der Leiterplatten berücksichtigt werden. Auf diese Weise lassen sich elektrostatische Entladungen besser bewerten und die Entwickler wissen wie robust oder empfindlich ihre elektronischen Bausteine sind. Einige dieser Bauteile werden mit nur 1,5 V betrieben und es braucht nicht viel, um Fehlfunktionen auszulösen. Die Erfahrung zeigt, dass Schaltkreise sehr kompliziert und empfindlich sind.

2. Bewusstsein gegenüber Gefahren entwickeln

Sicherungen sind einfach und jeder versteht ihre Funktionsweise. Oftmals werden jedoch die Folgen einer Überspannung unterschätzt. Zwar müssen diese nicht immer so katastrophal sein, wie die bei Überstrom. Wichtig ist es jedoch, sich deren Existenz bewusst zu sein. So hat Überspannung zum Beispiel das Hubble-Teleskop außer Gefecht gesetzt, Raffinerien lahm gelegt, Mobiltelefone zerstört und Achterbahnen mitten in der Fahrt gestoppt. In einigen tragbaren medizinischen Geräten kann Überspannung lebensbedrohlich sein.

Es gibt viele verschiedene Auslöser für übermäßigen Stromfluss und Überspannung, angefangen bei gewöhnlichen Blitzen über elektrostatische Entladung, Motoren, Elektro-Schweißgeräte bis hin zu den oben erwähnten Laufschuhen. Bei Blitzen ist den meisten Menschen zwar bekannt, wie sie entstehen, nicht jedoch, dass sie sich über die Erdoberfläche ausbreiten und starke Störimpulse in Hochspannungsleitungen verursachen können, die einen Kilometer entfernt sind.

3. Die Anforderungen bestimmen und von vornherein an Stromkreisschutz denken

Der Entwicklungsingenieur muss eine Vorstellung davon haben, wie und in welchem Umfeld ein Produkt eingesetzt wird, bevor er die Anforderungen an den Schaltkreisschutz genau formulieren kann. Diese Faktoren müssen im Voraus genau analysiert und fixiert werden. Danach können Anpassungen vorgenommen werden. Den Ausgangspunkt stellen die Anschlussstellen dar. Der Überspannungsschutz sollte sich so nah wie möglich am Stecker befinden. Umgebungsbedingungen und mögliche Störeinflüsse sind ausschlaggebend für die Auswahl des richtigen Überspannungsschutzes.

4. Die Normen kennen

Normen bestimmen das Design jedes Produkts, bis hin zur Ebene des Stromkreisschutzes. Die Liste der Normen, die Designer berücksichtigen müssen, scheint schier endlos. Sie unterscheiden sich auch international und regional deutlich voneinander. Im Hinblick auf Stromkreisschutz existieren Normen von IEC, Underwriters Laboratories (UL), Energy Star, NEMA, ATCA, CSA Group, IEEE, sowie Standardisierungsorganisationen unter anderem in Kanada, Südamerika, Japan, Korea und Europa. Entwickler müssen alle relevanten Normen kennen bevor sie ein Projekt beginnen. Das steht am Anfang jeder Designphase.

5. Sich sachkundig machen

Da Stromkreisschutz nicht an Universitäten gelehrt wird, sind die meisten Ingenieure versierter im komplexen Produktdesign als in Fragen der Überspannung und Resistenz gegen Störimpulse. Dieses Problem wird noch dadurch verstärkt, dass viele Entwickler mehrere Projekte gleichzeitig bearbeiten und damit zu wenig Zeit haben, dieses Themenfeld zu recherchieren. White Paper, Produktspezifikationen und Fallstudien sind hilfreiche Informations- und Schulungsquellen und zeigen anhand von Beispielen, welche Maßnahmen in bestimmten Situationen zum Erfolg geführt haben.