Der Unterschied zwischen traditionellen und rücksetzbaren Sicherungen

Wann ist eine Sicherung keine Sicherung?

Die elektronischen Schnittstellen in heutigen Produkten der Unterhaltungselektronik bieten eine höhere Leistung und können größere Stromstärken liefern als je zuvor. Allerdings können diese höheren Stromstärken zu durchgebrannten Sicherungen führen, die schwer, wenn nicht gar unmöglich, zu ersetzen sind. Um den Austausch von Sicherungen oder ganzen Schaltungen zu vermeiden, können rückstellbare PTC-Sicherungen verwendet werden. PTC-Sicherungen setzen sich selbst zurück und können Schaltungen weiterhin schützen, ohne dass ein Austausch erforderlich ist, wodurch Ausfallzeiten reduziert und die Lebensdauer der Anwendung verlängert werden.

Was ist eine traditionelle Sicherung?

Eine traditionelle Sicherung besteht aus einem Stück Draht oder einer anderen leitenden Verbindung mit einer bekannten Stromtragfähigkeit, die in Reihe mit einem elektrischen Stromkreis geschaltet ist. Die Sicherung dient ausschließlich als Sicherheitsvorrichtung, die so konzipiert ist, dass sie schmilzt und den weiteren Stromfluss dauerhaft unterbricht. Indem sie funktioniert, schützen Sicherungen Stromkreise vor Schäden, die durch Überlastung oder Kurzschlussstrom verursacht werden, und verhindern so Überhitzung und sogar Brände, falls ein Fehlerzustand auftreten sollte.

Abhängig von dem zu schützenden Stromkreis können Sicherungen von wenigen Milliamperes in kleinen Unterhaltungselektronikprodukten bis hin zu hunderten von Ampere in industriellen Anwendungen ausgelegt sein. Die Stromstärke allein reicht nicht aus, um eine Sicherung für eine bestimmte Anwendung zu spezifizieren; Sicherungen werden auch für Spannung, Wechselstrom (AC) und/oder Gleichstrom (DC) ausgelegt. Die Spannungsangabe stellt einen Höchstwert dar und darf nicht überschritten werden. Sobald die Sicherung auslöst, besteht keine Möglichkeit eines Lichtbogens über die Sicherung hinweg. Je nachdem, ob die Last resistiv oder reaktiv ist, gibt es Sicherungen, die so konstruiert sind, dass sie bei einem Stromüberlast „schnell“ auslösen, oder solche, die eine kurze Überlastung für einen definierten Zeitraum vor dem Auslösen zulassen, oft als „zeitverzögert“ oder „langsam“ bezeichnet.

Wie beeinflussen Schaltungsparameter die Auswahl von Sicherungen?

Sicherungen müssen auch basierend auf den Schaltungsparametern ausgewählt werden. Bestimmte Halbleiterschaltungen erfordern eine Sicherung, die sehr schnell auslöst, um mögliche erhebliche/teure Bauteilschäden zu vermeiden. Im Gegensatz dazu können hochinduktive oder kapazitive Schaltungen wie Netzteile kurze Einschaltstromstöße beim „Einschalten“ erzeugen, bei denen der Strom der Schaltung für einen sehr kurzen Zeitraum deutlich über der Nennleistung der Sicherung liegt. Solche Schaltungen benötigen eine „Träge“ oder „Langsam auslösende“ Sicherung, die es ermöglicht, diese kurzen, aber normalen Stromstöße zu überbrücken, ohne das sogenannte „Fehlauslösen“ zu verursachen. Dies gilt auch für Einschaltströme von Motoren und Transformatoren.

Eine Sache, die alle Sicherungen gemeinsam haben, ist, dass sie „Einmalgeräte“ sind. Wenn eine herkömmliche Sicherung ausgelöst wird, ist das Einsetzen eines genau passenden Ersatzes nach der Reparatur des zugrunde liegenden Fehlers die einzige Möglichkeit, den geschützten Stromkreis wieder mit Strom zu versorgen. Doch während elektronische Systeme weiter schrumpfen und sich entwickeln, gerät die Einmalnutzung der Sicherung zunehmend unter Druck.

Müssen durchgebrannte Sicherungen ausgetauscht werden?

Vor der Einführung der Miniaturisierung und dem Aufstieg der Mikroschaltungen wurden Gerätesicherungen mechanisch durch Halter oder Klemmen gehalten. Eine Reparatur bestand darin, festzustellen, welche Sicherung ausgelöst hatte; die durchgebrannte Sicherung zu lokalisieren und zugänglich zu machen; das zugrunde liegende Problem zu diagnostizieren und dann eine Ersatzsicherung mit den richtigen Nennwerten und dem passenden Sicherungsverhalten zu finden. Heutzutage sind die meisten Elektronik- und Haushaltsgeräte so dicht konstruiert, dass sie keine älteren, röhrenförmigen Sicherungen aufnehmen können und stattdessen SMT-Typen verwenden, die an Ort und Stelle verlötet sind und somit nicht benutzerfreundlich repariert werden können. Der Akt des einfachen Austauschs einer Sicherung hat sich inzwischen in den Wechsel einer Schaltungskarte oder die Rücksendung des Geräts/der Haushaltsgeräte zur Werksüberholung gewandelt. Die meisten Unterhaltungselektronikprodukte sind nicht so ausgelegt, dass sie Zugang zu einer internen austauschbaren Sicherung bieten, da Produktdesigner besondere Maßnahmen ergreifen, um einen Zugriff auf das Innere zu verhindern, wobei Produktetiketten mit der Warnung „Keine vom Benutzer wartbaren Teile im Inneren“ versehen sind.

Die elektronischen Schnittstellen heutiger Unterhaltungselektronik bieten eine höhere Leistung und können größere Ströme liefern als je zuvor, wie beispielsweise die neueste Version der USB-Schnittstelle. Schnittstellenkabel und Steckverbinder werden immer kleiner und sind empfindlicher, wodurch sie leichter beschädigt werden können, wenn Benutzer diese nach Belieben anschließen und verwenden. Das Risiko, dass ein fehlerhaftes oder inkompatibles Peripheriegerät an ein Host-Produkt angeschlossen wird und dieses beschädigt, ist besorgniserregend. Kein Hersteller möchte Produktrückgaben, insbesondere im Rahmen der Garantie, und eine Art Schutzkomponente wie eine Sicherung wird idealerweise immer noch benötigt – aber vielleicht keine traditionelle Sicherung. Angesichts der Entwicklungen wäre es doch praktisch, eine schützende „Sicherung“ zu haben, die sich automatisch zurücksetzt, sobald der Fehler behoben ist. PTC-Geräte von Bel erfüllen genau diese Funktion!

Was ist eine PTC-Sicherung?

Eine Bel PTC-Sicherung funktioniert ähnlich wie ein Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC); das heißt, ein temperaturabhängiger Widerstand, dessen Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Allerdings unterscheidet sich ein selbstzurücksetzender Bel PTC-Schutz von einem Thermistor dadurch, dass er nicht einfach ein passives Messelement ist, sondern dafür ausgelegt ist, den Stromkreisstrom zu führen. Dadurch entsteht eine Selbstheizung aufgrund des Widerstands seines aktiven Kerns, eines mit Kohlenstoffpartikeln durchsetzten Polymers. Eine PTC-Sicherung erhöht ihren Widerstand schnell in Reaktion auf eine Überstrom-, Kurzschluss- oder Übertemperatursituation, um den Stromfluss zu begrenzen. Die PTC-Sicherung wird durch das Auslösungsereignis nicht dauerhaft zerstört und setzt sich zurück, nachdem die Stromversorgung des Stromkreises unterbrochen, der Fehler behoben und die Stromversorgung wiederhergestellt wurde. Diese Rücksetzfähigkeit erlaubt es, dass elektronische Produkte durch eine PTC-Sicherung geschützt werden, ohne dass Servicepersonal sie wie eine herkömmliche Sicherung physisch austauschen muss.

Im Bauwesen besteht eine Bel PTC aus einem Block aus polymerem Material, das leitfähige Füllstoffe enthält und zwischen zwei leitenden Platten eingebettet ist. Der Strom fließt durch Tausende zufälliger Kohlenstoffkettenwege, die durch den physischen Kontakt von zufälligen, benachbarten Kohlenstoffpartikeln entstehen. Solange der Strom durch die PTC-Sicherung unter der IHOLD-Wert liegt und die Temperatur unter 100°C bleibt, leiten die leitfähigen Pfade durch das Gerät den Strom mit einem niedrigen Widerstand, der unter dem R1 MAX-Wert liegt. Wenn die Temperatur der PTC-Sicherung 130°C erreicht, sei es aufgrund einer Erhöhung der Umgebungstemperatur oder des Stroms, der den ITRIP-Wert überschreitet, führt die volumetrische Ausdehnung des gefüllten Polymerblocks dazu, dass die Mehrheit der leitfähigen Pfade unterbrochen wird, was zu einem starken Anstieg des Widerstands der PTC-Sicherung um mehrere Größenordnungen führt.

Wie setzt man PTC-Sicherungen zurück?

Im ausgelösten Zustand wird der Stromfluss durch den nun deutlich höheren Widerstand begrenzt, jedoch fließt noch ausreichend Leckstrom durch die PTC-Sicherung, um eine interne Eigenerwärmung aufrechtzuerhalten, die die PTC-Sicherung im ausgelösten Zustand hält, bis die Stromzufuhr vollständig abgeschaltet wird. Sobald die Stromzufuhr abgeschaltet wird, kühlt der Kern des PTC ab und zieht sich zusammen, wodurch die leitenden Ketten sich neu bilden und das Gerät in den Zustand mit niedrigem Widerstand zurückkehrt.

Beachten Sie, dass der Temperaturanstieg, der erforderlich ist, um ein Auslöseereignis zu initiieren, sowohl durch interne Erwärmung (d. h. Überstrom) als auch durch Wärme von einer benachbarten, externen Quelle (z. B. ein überhitztes Motorgehäuse) verursacht werden kann. PTCs reagieren gleichermaßen gut auf beide Bedingungen, was sie zu vielseitigen Schutzvorrichtungen macht und gleichzeitig ihre Auto-Rückstellfunktion bietet.

Ein Bel PTC-Datenblatt gibt die typische Leistung, Pd, an, die erforderlich ist, um einen PTC bei einer Temperatur von 23°C in ruhender Luft im ausgelösten Zustand zu halten. Da Leistung (P) = Strom (I) * Spannung (V) ist und gemäß dem Ohmschen Gesetz Spannung (V) = Strom (I) * Widerstand (R), ergibt sich P = V^2/R und somit der ungefähre Widerstand eines ausgelösten PTC als R = V^2/Pd, wobei Pd die ausgelöste Verlustleistung ist. Da der PTC darauf ausgelegt ist, eine konstante interne Temperatur aufrechtzuerhalten, wird sich sein scheinbarer Widerstand im ausgelösten Zustand abhängig von der angelegten Spannung verändern.

Beispiel 1: 1W PTC mit 60V Versorgung. R_Ausgelöst = 60^2/1 = 3600 Ohm.

Beispiel 2: Derselbe 1W PTC an einer 12V Versorgung. R_ausgelöst = 12^2/1 = 144 Ohm.

Der angegebene Wert für die typische Leistung ist nur „typisch“, da physikalische Faktoren, die den Wärmeverlust beeinflussen, wie beispielsweise Kühlung, die benötigte Leistungsabgabe des PTC verändern, um seine interne Temperatur aufrechtzuerhalten. Kurz gesagt, PTCs weisen keinen konstant quantifizierbaren Widerstand im ausgelösten Zustand auf.

Es ist wichtig, diesen zentralen Unterschied zwischen einer traditionellen Sicherung und einer PTC-Sicherung zu beachten, insbesondere dass der Lastkreis während eines Fehlers nicht vollständig isoliert ist und ein hochresistiver Leckpfad weiterhin durch ihn existiert. Eine typische Anwendung von PTCs ist in Sicherheitskreisen als Begrenzungsgeräte zur Bereitstellung von Überstromschutz, wie er durch ULs UL1434 und TUVs EN 60738-1-1 abgedeckt wird. Weitere Informationen zu den Zulassungen der Sicherheitsagenturen pro Gerät finden Sie in den Gerätedatenblättern.

Abgesehen von USB-Schnittstellen profitieren auch andere Anwendungen von PTC-Schutz, darunter:

Rückstellbare PTC-Sicherungen

Bel rückstellbare PTCs wurden für Anwendungen im Temperaturbereich von -40°C bis +85°C entwickelt und sind sowohl in herkömmlichen radialen Anschlussgehäusen als auch in oberflächenmontierten (SMD) Chip-Gehäusen in Größen von 0603 bis 2920 erhältlich.

Die 0ZCM-Serie der 0603 SMD-Geräte bietet eine sehr kleine Baugröße, die für Anwendungen mit höchster Packungsdichte auf Leiterplatten (PCB) geeignet ist. Die typische Verlustleistung Pd dieser Geräte beträgt 0,5 W. Einzelne Geräte mit einem spezifizierten Betriebs- (Halt-) Strom, der von 50 mA bis 200 mA reicht, und einem entsprechenden Auslösestrom von jeweils 150 mA bis 450 mA sind verfügbar. Je nach ausgewähltem Gerät und Betriebsbedingungen bietet diese Serie eine schnelle Auslösezeit von unter einer Sekunde (max. 0,1 Sek.) für Ströme im Bereich von 500 mA bis 2 A und eine maximale Betriebsspannung im Bereich von 9 bis 15 V.

Im Vergleich dazu eignet sich die größere 0ZCF-Serie von 2920 SMD-Bauelementen für Anwendungen mit höherer Leistung auf Leiterplatten. Die typische Verlustleistung Pd dieser Bauelemente beträgt 1,5 W. Einzelne Bauelemente mit spezifizierten Betriebsströmen (Halteströmen) von 300 mA bis 3 A und entsprechenden Auslöseströmen von 600 mA bis 5,2 A sind erhältlich. Je nach tatsächlich ausgewähltem Bauelement und Betriebsbedingungen bietet diese Serie maximale Betriebsspannungen von 6 bis 60 V. Radial bedrahtete PTCs werden in mehreren Serien mit 5,1 mm und 10,2 mm Anschlussabständen angeboten und können wesentlich höhere Betriebsströme und -spannungen unterstützen. Diese Bauelemente eignen sich für Anwendungen mit Netzspannungs-Stromversorgung, Transformatoren und Haushaltsgeräten.

Die 0ZRM-Serie unterstützt eine maximale Betriebsspannung von 120 VAC/VDC mit einem Maximum von 135 VAC/VDC. Einzelne Geräte mit einer angegebenen Betriebs-(Halte-)stromstärke von 100 mA bis 3,75 A und einem entsprechenden Auslösestrom von 200 mA bis 7,5 A sind verfügbar.

Die 0ZRE-Serie unterstützt eine maximale Betriebsspannung von 240 VAC/VDC mit einer maximalen Spannung von 265 VAC/VDC. Einzelne Geräte mit einer angegebenen Betriebs-(Halte-)stromstärke von 50 mA bis 2 A und einem entsprechenden Auslösestrom von jeweils 120 mA bis 4 A sind erhältlich.

Die 0ZRA-Serie unterstützt einen sehr hohen Betriebs- (Halte-)strom von bis zu 14 A und einen entsprechenden Auslösestrom von bis zu 23,8 A.

Beschränkungen von PTC-Sicherungen

Polymer-PTC-Bauteile sind ausschließlich für den Schutz vor gelegentlichen Überstrom-/Übertemperatur-Fehlerzuständen vorgesehen und möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet, bei denen wiederholte und/oder langanhaltende Fehlerzustände erwartet werden.

PTC-Geräte sind möglicherweise nicht für den Einsatz in Schaltungen mit großer Induktivität geeignet, da das Auslösen des PTC große Spannungsspitzen erzeugen kann, die den für den PTC vorgesehenen Spannungswert überschreiten.