Neue Fahrzeugmodelle sind in großem Umfang mit elektronischen Schaltungen und motorbetriebenen Zusatzausstattungen versehen, die der Zuverlässigkeit und dem Nutzen des Fahrzeugs zugute kommen. Da das elektrische Bordnetz einen hohen Anteil am Wert eines Fahrzeugs ausmacht, muss es vor Kurzschlüssen und Überlastungen geschützt werden.


Besonders wichtig ist der Schutz von ‚Black-Box‘-Modulen, die zur Steuerung von Funktionen wie etwa elektrischen Fensterhebern, elektrischen Sitzverstellungen, Zentralverriegelungen und Motorantennen dienen. Selbstrückstellende Stromkreisschutz-Elemente in Form von PPTC-Sicherungen (Polymeric Positive Temperature Coefficient) verhindern eine durch überhöhte Stromstärken verursachte Beschädigung von Leiterplatten in elektronischen Steuermodulen und verbessern die Zuverlässigkeit kleiner Motoren, die als Aktuatoren dienen.


Schutz für elektronische Steuermodule


Immer umfangreichere Schaltungen werden in immer kleineren Gehäusen untergebracht. Dies macht die Verwendung von Leiterplatten mit immer schmäleren Leiterbahnen erforderlich. Da motorbetriebene Zubehörteile jedoch mit hohen Stromstärken angesteuert werden, sind diese schmalen Leiterbahnen sehr empfindlich, was die Beschädigung durch zu hohe Ströme angeht. Leiterbahnen dienen ähnlich wie herkömmliche Leitungen der Übertragung von Signalen von einem Punkt zum anderen. Je nach ihrem Querschnitt verkraften sie nur eine bestimmte Stromstärke, bevor die Ohm‘sche Verlustleistung dazu führt, dass die Leiterbahn durchschmilzt oder sich so stark erhitzt, dass die Leiterplatte und benachbarte Bauelemente beschädigt werden.


Elektronik-Module benötigen in der Regel einen Schutz vor Kurzschlüssen bzw. hohen Blockier‑ oder Einschaltströmen am Modulausgang. Schäden können ebenfalls durch Störungen in einem anderen Teil des Systems (z.B. Kurzschluss in einer Diode oder Unterbrechung einer Masseverbindung) hervorgerufen werden. Schmelzsicherungen werden für diese potenziellen Probleme nicht als akzeptable Lösung angesehen, da sie nach jedem Ansprechen ausgetauscht werden müssen, auch wenn die Störung nur vorübergehender Natur war. Häufig verwendet man Schaltungen aus mehreren Bauteilen oder SmartFETs für diese Aufgabe. Diese Lösungen erfordern jedoch ein sorgfältiges Design, belegen wertvolle Leiterplattenfläche und können recht teuer sein.


PPTC-Stromkreisschutz-Elemente bringen es zu wachsender Akzeptanz als praxisgerechter, kosteneffektiver Überstrom‑ und Übertemperaturschutz für elektronische Module. Ebenso wie konventionelle Schmelzsicherungen begrenzen sie im Störungsfall die Stromstärke. Nach Behebung der Störung und nach dem Abschalten der Versorgungsspannung sind sie jedoch anders als Schmelzsicherungen umgehend wieder einsatzbereit. Sie können den Strom schnell und effektiv auf unschädliche Werte begrenzen und sind so klein, dass sie direkt auf der Leiterplatte montiert werden können. Deshalb ist es möglich, jeden Leistungs-Stromkreis eines Elektronik-Moduls mit einer eigenen selbstrückstellenden Sicherung zu versehen.


Schutz von Kleinmotoren


Die meisten Aktuatoren im Kfz-Bereich kommen in Anwendungen zum Einsatz, in denen eine Bewegung bis zu einem bestimmten Endanschlag ausgeführt werden muss (zum Beispiel das Schließen eines Fensters). Da diese Vorgänge jedoch vom Benutzer manuell gesteuert werden, kann es passieren, dass der Aktuator auch nach Erreichen des Endanschlags unter Spannung bleibt. In diesem Fall blockiert der Motor, und seine Gegen-EMK wird Null. Sobald jedoch der Versorgungsspannung keine Gegen-EMK mehr entgegenwirkt, steigt der Strom im Motor rasch auf das Zwei‑ bis Vierfache des Normalwerts an.


Da die Motorwicklungen aus sehr dünnem Draht hergestellt sind, führt die hohe Stromstärke im blockierten Zustand rasch zu einem starken Temperaturanstieg. Binnen weniger Sekunden kann die Wicklung so heiß werden, dass der Isolierwerkstoff bleibende Schäden davonträgt. Die hieraus resultierenden Kurzschlüsse innerhalb der Wicklung machen den Motor unbrauchbar.


Um zu hohe Ströme zu vermeiden, wird ein PPTC-Element mit der Motorwicklung in Reihe geschaltet. Sobald der Strom oder die Temperatur einer Wicklung über ein gewisses Niveau ansteigt, wird das PPTC-Element hochohmig, wodurch der Strom auf einen unschädlich geringen Wert begrenzt und eine Beschädigung des Motors verhindert wird. Wenn der Fehler behoben ist, die Stromversorgung abgeschaltet wurde und sich das PPTC-Element abgekühlt hat, ist das Sicherungselement wieder niederohmig, und der normale Betrieb kann wieder aufgenommen werden.


Die PolySwitch PPTC Bauelemente sind in verschiedenen Größen und Bauformen verfügbar. Es gibt eine Vielzahl von Bauelementen, die bis 72V Nennspannung und somit auch in den neuen 42V Bordnetzen eingesetzt werden können.


Der niedrige Widerstand, die kurze Ansprechzeit und die flache Bauform des PPTC-Elements sorgen für mehr Zuverlässigkeit bei geringem Platzbedarf. Weitere Vorteile sind die Eignung für die Großserienproduktion, da sich die PPTC-Elemente mit automatischen Bestückungsmaschinen verarbeiten lassen, sowie die erhöhte Design-Flexibilität infolge der großen Auswahl an Produkt-Optionen.