Selbstrückstellender PTC-Schutzschalter statt Einmal-Gerät

Eine herkömmliche Sicherung besteht aus einem Stück Draht oder einem anderen leitenden Element mit einer bekannten Strombelastbarkeit, das in Reihe mit einem Stromkreis geschaltet wird. Sie fungiert als Sicherheitsvorrichtung, die gegebenenfalls schmelzen und den weiteren Stromfluss dauerhaft unterbrechen soll. Je nach der zu schützenden Schaltung können Sicherungen für wenige mA bei kleinen Produkten in der Unterhaltungselektronik bis zu Hunderte von Ampere bei industriellen Anwendungen ausgelegt sein.

Auswahl der geeigneten Sicherung

Die Stromstärke allein reicht nicht aus, um eine Sicherung für eine bestimmte Anwendung zu spezifizieren. Auch Spannung, Wechsel- und/oder Gleichstrom spielen eine Rolle. Die angegebene Spannung ist ein Höchstwert und darf nicht überschritten werden. Sobald die Sicherung ausgelöst hat, besteht keine Gefahr eines Lichtbogens über der Sicherung. Je nachdem, ob es sich um eine ohmsche oder eine reaktive Last handelt, gibt es Sicherungen, die im Falle einer Stromüberlastung schnell auslösen, oder solche, die eine kurze Überlast für eine bestimmte kurze Zeitspanne zulassen, bevor sie ansprechen. Diese Sicherungen nennt man Zeitverzögerungssicherungen oder träge Sicherungen.

Sicherungen müssen auch zu den Parametern der Schaltung passen. Bei bestimmten Halbleiterschaltungen muss eine Sicherung sehr schnell auslösen, um mögliche Bauelemente-Schäden zu vermeiden. Umgekehrt können stark induktive oder kapazitive Stromkreise, wie z. B. Netzteile, beim Einschalten kurze Einschaltstromstöße erzeugen, bei denen der Strom im Stromkreis für eine sehr kurze Zeit weit über dem Nennwert einer Sicherung liegt. Solche Stromkreise benötigen eine träge Sicherung, damit sie diese Stromstöße überstehen können, ohne dass es zu einer störenden Auslösung (nuisance clearing) der Sicherung kommt. Dies gilt auch für Einschaltströme von Motoren und Transformatoren.

Eines haben alle Sicherungen gemeinsam: Sie sind Einmal-Geräte, gewissermaßen eine gewollte Sollbruchstelle. Wenn eine herkömmliche Sicherung zwangsweise auslöst, ist eine entsprechende Ersatzsicherung die einzige Möglichkeit, die geschützte Schaltung wieder in Betrieb zu nehmen. Da die elektronischen Systeme jedoch immer kleiner werden und sich weiterentwickeln, ist es zunehmend unpraktisch, wenn eine Sicherung nur einmal verwendet werden kann.

Nachteile herkömmlicher Sicherungen

Vor dem Aufkommen der Miniaturisierung und der Entwicklung von Mikroschaltkreisen wurden Gerätesicherungen mechanisch durch Halter oder Klammern befestigt. Bei einer Reparatur musste man feststellen, welche Sicherung durchgebrannt war, die durchgebrannte Sicherung lokalisieren, das zugrunde liegende Problem diagnostizieren und dann eine Ersatzsicherung mit den richtigen Werten und dem richtigen Auslöseverhalten finden. Aktuell sind die meisten elektronischen Geräte und Kleingeräte sehr dicht konstruiert. Ältere Röhrensicherungen lassen sich darin nicht mehr verbauen. Derzeit werden SMT-Sicherungen (Surface Mount Technology) verwendet, die an der entsprechenden Stelle fest verlötet sind. Benutzer können sie daher nicht warten oder ersetzen. Aus dem einfachen Auswechseln einer Sicherung ist inzwischen der Austausch einer Steckkarte oder die Rücksendung des Geräts zur Nachbesserung im Werk geworden – mit entsprechendem Aufwand. Die meisten Produkte in der Unterhaltungselektronik sind nicht so konstruiert, dass sie Zugang zu einer internen austauschbaren Sicherung ermöglichen. Produktdesigner setzen nämlich alles daran, den Zugang zum Innenraum zu verhindern.

Die elektronischen Schnittstellen zwischen den aktuellen Produkten der Unterhaltungselektronik sind leistungsfähiger und können höhere Ströme liefern als je zuvor, wie z. B. bei der neuesten Version der USB-Schnittstelle. Die Schnittstellenkabel und -stecker werden immer kleiner und unvorsichtige Benutzer, die nach Belieben Kabel einstecken und ausstecken, können sie leichter beschädigen. Es besteht die Gefahr, dass sie ein fehlerhaftes oder inkompatibles Peripheriegerät an ein Host-Produkt anschließen und dieses beschädigen. Hersteller sehen Produktrücksendungen natürlich sehr ungern, vor allem im Rahmen der Garantie. Eine Schutzkomponente wie eine Sicherung ist idealerweise immer noch erforderlich. Vielleicht muss es sich aber nicht um eine herkömmliche Sicherung handeln. Wie wäre es denn angesichts der Entwicklung mit einer selbstrückstellenden Sicherung, die sich automatisch zurücksetzt, sobald ein Fehler behoben ist? Hier kommen die PTC-Bauteile von Bel ins Spiel, denn diese erledigen genau diese Aufgabe.

Alternative: PTC-Sicherung

Eine PTC-Sicherung funktioniert ähnlich wie ein Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (Positive Temperature Coefficient, PTC). Solche Bauteile sind temperaturabhängig, ihr Widerstand nimmt mit steigender Temperatur zu. Ein selbstrückstellender PTC-Schutzschalter unterscheidet sich jedoch von einem Thermistor: Er stellt nicht einfach ein passives Messelement dar, sondern ist so konstruiert, dass er Strom im Stromkreis führt und sich daher aufgrund des Widerstands seines aktiven Kerns, eines mit Kohlenstoffpartikeln durchsetzten Polymers, selbst erwärmt. Eine PTC-Sicherung erhöht bei Überstrom, Kurzschluss oder Übertemperatur schnell ihren Widerstand, um den Stromfluss zu begrenzen. Sie wird durch ihre Auslösung nicht dauerhaft zerstört und setzt sich zurück, nachdem die Stromzufuhr zum Stromkreis unterbrochen, der Fehler behoben und die Stromversorgung wiederhergestellt wurde. Durch die Rücksetzfunktion schützt eine solche Sicherung elektronische Produkte, ohne dass das Servicepersonal sie wie eine herkömmliche Sicherung auswechseln muss.

Ein PTC besteht aus einem Polymerblock, der einen leitenden Füllstoff zwischen zwei leitenden Platten enthält. Der Strom fließt zwischen ihnen durch Tausende von zufälligen Kohlenstoffketten, die durch den physischen Kontakt zufällig benachbarter Kohlenstoffteilchen entstehen. Solange der Strom durch die Sicherung unter ihrem I_HOLD-Nennwert und ihre Temperatur unter 100 °C liegt, wird der Strom mit einem niedrigen Widerstand unter dem R_{1 MAX}-Nennwert über leitende Pfade durch das Gerät geführt. Wenn sich die Temperatur der PTC-Sicherung 130 °C nähert, weil die Umgebungstemperatur ansteigt oder der Strom den ITRIP-Nennwert übersteigt, bricht die volumetrische Ausdehnung des gefüllten Polymerblocks den Großteil der Leiterbahnen auf, was zu einem starken Anstieg des Widerstands der PTC-Sicherung um mehrere Größenordnungen führt.

Im ausgelösten Zustand ist der Stromfluss durch den neuen, viel höheren Widerstand begrenzt. Es fließt jedoch immer noch genügend Leckstrom durch die PTC-Sicherung, damit die interne Selbsterwärmung dafür sorgt, dass die PTC-Sicherung im ausgelösten Zustand bleibt. Das geschieht so lange, bis die Stromversorgung vollständig unterbrochen ist. Sobald dies der Fall ist, kühlt sich der Kern ab und zieht sich zusammen. So bilden sich die Leiterketten neu und das Bauteil kehrt in den Zustand des niedrigen Widerstands zurück.

Der Temperaturanstieg, der zu einem Auslöseereignis führt, kann von einer internen Erwärmung (d. h. Überstrom) oder von einer benachbarten, externen Wärmequelle (etwa einem überhitzten Motorgehäuse) herrühren. PTCs reagieren auf beide Zustände gleich gut, was sie zu vielseitigen Schutzvorrichtungen macht.

Eigenschaften des PTC

In einem PTC-Datenblatt ist die typische Leistung Pd angegeben, die erforderlich ist, um das Bauteil bei 23 °C in ruhender Luft im ausgelösten Zustand zu halten. Da P = I × U und nach dem Ohm'schen Gesetz U = I × R ist, ergibt sich P = V²/R. Daher ist der ungefähre Widerstand eines ausgelösten PTCs R = V2/P_d, wobei P_d die Verlustleistung im ausgelösten Zustand ist. Da der PTC eine konstante Innentemperatur aufrechterhält, ändert sich sein scheinbarer Auslösewiderstand in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, wie in den folgenden Beispielen zu sehen:

• 1 W PTC bei 60 V Spannungsversorgung: Rausgelöst = 60²/1 Ω = 3600 Ω.
• Gleicher 1 W PTC bei 12 V Spannungsversorgung: Rausgelöst = 12²/1 Ω = 144 Ω.

Die für die typische Leistung angegebene Zahl ist nur typisch, da alle physikalischen Faktoren, die den Wärmeverlust beeinflussen, wie z. B. die Kühlung, die Verlustleistung verändern, die der PTC zur Aufrechterhaltung seiner internen Temperatur benötigt. Kurz gesagt, PTCs haben keinen konstanten, quantifizierbaren Auslösewiderstand.

Es ist wichtig, diesen entscheidenden Unterschied zwischen einer herkömmlichen Sicherung und einer PTC-Sicherung zu beachten, nämlich dass der Laststromkreis im Fehlerfall nicht vollständig isoliert ist und immer noch ein hochohmiger Leckagepfad durch ihn läuft. Eine typische Anwendung für PTCs ist der Einsatz in Sicherheitsschaltungen als Begrenzer für den Überstromschutz, wie er in der UL-Norm UL1434 und der TÜV-Norm EN 60738-1-1 beschrieben ist.

Neben USB-Schnittstellen gibt es weitere Anwendungen, die vom PTC-Schutz profitieren, beispielsweise IEEE 1394 Firewire, Power-over-Ethernet (PoE), Lithium-Ionen-Akkupacks oder Stromversorgung.

Die rücksetzbaren PTCs von Bel sind für Anwendungen von -40 °C bis +85 °C ausgelegt und in herkömmlichen radial bedrahteten Gehäusen und oberflächenmontierbaren (SMD) Chip-Gehäusen in den Größen 0603 bis 2920 erhältlich.

Die 0ZCM-Serie von 0603 SMD-Bauelementen ist ausgesprochen klein und eignet sich für Leiterplatten (PCB) mit höchster Dichte. Die typische Verlustleistung für diese Komponenten beträgt 0,5 W. Einzelne Bauelemente sind mit einem spezifizierten Betriebsstrom (Haltestrom) von 50 mA bis 200 mA und einem entsprechenden Auslösestrom von 150 mA bis 450 mA erhältlich. Je nach gewählter Komponente und Betriebsbedingungen weist diese Serie eine schnelle Auslösezeit von weniger als einer Sekunde (max. 0,1 Sekunden) für Ströme im Bereich von 500 mA bis 2 A und eine maximale Betriebsspannung im Bereich von 9 bis 15 V auf.

Im Vergleich dazu eignen sich die größeren 2920 SMD-Bauteile der Serie 0ZCF für PCB-Anwendungen mit höherer Leistung. Die typische Verlustleistung für diese Komponenten beträgt 1,5 W. Einzelne Bauelemente sind mit einem spezifizierten Betriebsstrom (Haltestrom) von 300 mA bis 3 A und einem entsprechenden Auslösestrom von 600 mA bis 5,2 A erhältlich. Je nach gewählter Komponente und Betriebsbedingungen reicht die maximale Betriebsspannungen dieser Serie von 6 bis 60 V.

Radial bedrahtete PTCs werden in einer Reihe von Serien mit Rastermaß 5,1 mm und 10,2 mm angeboten und können wesentlich höhere Betriebsspannungen und -ströme aufnehmen. Diese Geräte eignen sich für Netzspannungsversorgungen, Transformatoren und Anwendungen in Haushaltsgeräten.

Beschränkungen

Polymer-PTC-Bauteile sind nur für den Schutz gegen gelegentliche Überstrom-/Übertemperaturfehler vorgesehen und eignen sich möglicherweise nicht für Anwendungen, bei denen wiederholte und/oder längere Fehlerbedingungen zu erwarten sind.

Weiter eigenen sich PTC-Komponenten möglicherweise nicht für den Einsatz in Schaltungen mit großer Induktivität, da der PTC-Auslöser hohe Spannungsspitzen erzeugen kann, die die für den PTC angegebene Spannung übersteigen. (bs) (Dieser Beitrag basiert auf Unterlagen von Bel-Fuse)