Der Unterschied zwischen herkömmlichen und rücksetzbaren Sicherungen

When is a Fuse Not a Fuse? (Wann ist eine Sicherung keine Sicherung?)

Die elektronischen Schnittstellen in heutigen Produkten der Unterhaltungselektronik bieten eine höhere Leistung und können höhere Ströme liefern als je zuvor. Diese höheren Ströme können jedoch zu durchgebrannten Sicherungen führen, die nur schwer oder gar nicht ersetzt werden können. Um den Austausch von Sicherungen oder ganzen Schaltkreisen zu vermeiden, können rücksetzbare PTC-Sicherungen verwendet werden. PTC-Sicherungen setzen sich selbst zurück und können weiterhin Schaltkreise schützen, ohne dass ein Austausch erforderlich ist, wodurch Ausfallzeiten reduziert und die Lebensdauer der Anwendung verlängert werden.

What is a Traditional Fuse?

Eine herkömmliche Sicherung besteht aus einem Stück Draht oder einer anderen leitenden Verbindung mit bekannter Strombelastbarkeit, welche(s) in Reihe mit einem Stromkreis geschaltet wird. Die Sicherung dient ausschließlich als Sicherheitseinrichtung, die dazu bestimmt ist, zu schmelzen und den weiteren Stromfluss dauerhaft zu unterbrechen. Im Betrieb schützen Sicherungen Schaltkreise vor Schäden durch Überlast oder Kurzschlussstrom und verhindern so Überhitzung und sogar Brände im Falle eines Fehlerzustands.

Abhängig von dem zu schützenden Schaltkreis können Sicherungen von einigen Milliampere in kleinen Unterhaltungselektronikprodukten bis zu Hunderten von Ampere in industriellen Anwendungen ausgelegt sein. Der Nennstrom allein reicht nicht aus, um eine Sicherung für eine bestimmte Anwendung zu spezifizieren; Sicherungen sind für Wechsel- bzw. Gleichspannung ausgelegt. Die Nennspannung ist ein Höchstwert, der nicht überschritten werden darf. Sobald die Sicherung ausgelöst hat, besteht keine Möglichkeit eines Lichtbogens über der Sicherung. Je nachdem, ob es sich um eine ohmsche oder reaktive Last handelt, sind Sicherungen erhältlich, die bei einer Stromüberlastung „schnell“ auslösen oder eine kurzzeitige Überlastung für eine festgelegte Zeitspanne zulassen, bevor sie auslösen, was oft als „zeitverzögerte“ oder „träge“ Sicherungen bezeichnet wird.

Wie wirken sich die Schaltkreisparameter auf die Auswahl der Sicherungen aus?

Sicherungen müssen auch entsprechend den Schaltkreisparametern ausgewählt werden. Bestimmte Halbleiterschaltkreise erfordern ein sehr schnelles Auslösen einer Sicherung, um mögliche erhebliche/kostspielige Komponentenschäden zu vermeiden. Umgekehrt können stark induktive oder kapazitive Schaltkreise wie Stromversorgungen beim „Einschalten“ kurze Einschaltspitzen erzeugen, wobei der Schaltkreisstrom für eine sehr kurze Zeit deutlich über dem Nennwert einer Sicherung liegt. Stromkreise wie dieser benötigen eine „zeitverzögerte“ oder „träge“ Sicherung, damit sie diese kurzen, aber normalen Überspannungen überstehen können, ohne dass es zu einer so genannten "Fehlauslösung" kommt. Dies gilt auch für Einschaltströme von Motoren und Transformatoren.

Allen Sicherungen ist gemeinsam, dass es sich um „Einmalsicherungen“ handelt. Wird eine herkömmliche Sicherung zwangsweise ausgelöst, ist die Installation eines genauen Ersatzes nach der Reparatur des zugrunde liegenden Fehlers die einzige Möglichkeit, den geschützten Schaltkreis wieder mit Strom zu versorgen. Da elektronische Systeme jedoch ständig schrumpfen und sich weiterentwickeln, gerät der Einwegcharakter der Sicherung zunehmend unter Druck.

Do Blown Fuses Need to Be Replaced?

Vor der Miniaturisierung und dem Aufkommen von Mikroschaltkreisen wurden Gerätesicherungen mechanisch durch Halter oder Klammern gehalten. Eine Reparatur bestand darin, festzustellen, welche Sicherung durchgebrannt war, die durchgebrannte Sicherung zu orten/zu erreichen, das zugrunde liegende Problem zu diagnostizieren und dann eine Ersatzsicherung mit den richtigen Nennwerten und dem richtigen Auslöseverhalten zu finden. Heutzutage sind die meisten elektronischen Geräte und Kleingeräte zu kompakt konstruiert, um ältere röhrchenförmige Sicherungen aufzunehmen, und verwenden derzeit SMT (oberflächenmontierte Technologie)-Sicherungen, die an Ort und Stelle eingelötet werden und daher nicht vom Benutzer gewechselt werden können. Aus dem einfachen Auswechseln einer Sicherung ist inzwischen der Austausch einer Schaltkreiskarte oder die Rücksendung des Geräts zur Nachbesserung im Werk geworden. Die meisten Unterhaltungselektronikprodukte sind nicht dafür ausgelegt, Zugang zu einer internen austauschbaren Sicherung zu ermöglichen, da Produktdesigner alles daransetzen, den Zugang zum Inneren zu verhindern, indem sie auf dem Produktetikett die Warnung „Keine vom Benutzer zu wartenden Teile im Inneren“ anbringen.

Die elektronischen Schnittstellen zwischen den heutigen Produkten der Unterhaltungselektronik sind leistungsfähiger und können höhere Ströme liefern als je zuvor, wie zum Beispiel die neueste Version der USB-Schnittstelle. Schnittstellenkabel und Stecker werden immer kleiner und können durch unvorsichtige Benutzer, die nach Belieben Plug-and-Play verwenden, leichter beschädigt werden. Das Risiko, dass ein fehlerhaftes oder inkompatibles Peripheriegerät an ein Hauptgerät angeschlossen wird und dieses beschädigt, ist besorgniserregend. Kein Hersteller wünscht sich Produktrückgaben, vor allem nicht im Rahmen der Garantie, und eine Art Schutzkomponente wie eine Sicherung wird idealerweise noch benötigt, wenn auch vielleicht keine herkömmliche Sicherung. Wäre es angesichts der Entwicklung, die die Dinge genommen haben, nicht schön, eine schützende „Sicherung“ zu haben, die sich automatisch zurücksetzt, sobald ein Fehler behoben wurde? Die PTC-Komponenten von Bel tun genau das.

What is a PTC Fuse?

Eine PTC-Sicherung von Bel funktioniert ähnlich wie ein Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC); das heißt, ein temperaturabhängiger Widerstand, dessen Widerstandswert mit zunehmender Temperatur zunimmt. Ein selbst rücksetzender Bel-PTC-Schutz unterscheidet sich jedoch von einem Thermistor dadurch, dass er nicht einfach ein passives Messelement ist, sondern vielmehr dafür ausgelegt ist, dass er den Schaltkreisstrom 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 zur Begrenzung des Stromflusses schnell ihren Widerstand. Die PTC-Sicherung wird durch das Sicherungsereignis nicht dauerhaft zerstört und wird zurückgesetzt, nachdem die Stromzufuhr zum Schaltkreis unterbrochen, der Fehler behoben und die Stromzufuhr wiederhergestellt wurde. Durch die Rücksetzfunktion können elektronische Produkte durch einen PTC geschützt werden, ohne dass das Servicepersonal diese Komponente wie eine herkömmliche Sicherung auswechseln muss.

In der Konstruktion besteht ein Bel PTC aus einem Polymerblock, der einen leitenden Füllstoff enthält und zwischen zwei leitenden Platten eingeklebt ist. Der Strom fließt zwischen diesen Platten durch Tausende von zufälligen Kohlenstoffkettenpfaden, die durch den physischen Kontakt zufällig benachbarter Kohlenstoffpartikel entstehen. Während der Strom durch die PTC-Sicherung unter ihrem IHOLD-Nennwert und deren Temperatur unter 100 °C liegt, leiten leitende Pfade Strom mit einem niedrigen Widerstand unter ihrem R1 MAX-Nennwert durch die Komponente. Nähert sich die Temperatur der PTC-Sicherung 130 °C, bricht die Volumenausdehnung des gefüllten Polymerblocks aufgrund eines Anstiegs der Umgebungstemperatur oder des seine ITRIP-Bewertung überschreitenden Stroms die Mehrheit der leitenden Pfade auf, was zu einem starken Anstieg des Widerstands der PTC-Sicherung um mehrere Größenordnungen führt.

Wie werden PTC-Sicherungen zurückgesetzt?

Im ausgelösten Zustand wird der Stromfluss durch den neuen viel höheren Widerstand begrenzt, aber es fließt immer noch genügend Leckstrom durch die PTC-Sicherung, damit die interne Eigenerwärmung die PTC-Sicherung weiterhin im ausgelösten Zustand halten kann, bis die Stromversorgung vollständig unterbrochen wird. Nach Unterbrechen der Stromversorgung kühlt der PTC-Kern ab und zieht sich zusammen, wodurch sich die leitfähigen Ketten neu bilden und die Komponente in den Zustand mit niedrigem Widerstand zurückversetzen wird.

Beachten Sie, dass der zum Auslösen eines Auslöseereignisses erforderliche Temperaturanstieg von einer internen Erwärmung (z. B. Überstrom) oder Wärme von einer benachbarten externen Quelle (z. B. einem überhitzten Motorgehäuse) herrühren kann. PTCs reagieren auf beide Bedingungen gleichermaßen gut, was diese zu vielseitigen Schutzvorrichtungen macht und ihnen die Möglichkeit der automatischen Rücksetzung verleiht.

Ein PTC-Datenblatt von Bel gibt die typische Leistung Pd an, die erforderlich ist, um einen PTC bei 23 °C in ruhender Luft im ausgelösten Zustand zu halten. Da Leistung (P) = Strom (I) * Spannung (V) und nach dem ohmschen Gesetz Spannung (V) = Strom (I) * Widerstand (R) ist, haben wir P = V^2/R, und daher ist der ungefähre Widerstand eines ausgelösten PTCs R = V^2/Pd, wobei Pd die Verlustleistung im ausgelösten Zustand ist. Da der PTC dazu dient, eine konstante Innentemperatur aufrechtzuerhalten, ändert sich sein scheinbarer Auslösewiderstand in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.

Beispiel 1: 1W-PTC bei 60V-Versorgung. R_ausgelöst = 60^2/1 = 3600 Ohm.

Beispiel 2: Gleicher 1W-PTC bei 12V-Versorgung. R_ausgelöst = 12^2/1 = 144 Ohm.

Die für die typische Leistung angegebene Zahl ist nur „typisch“, da alle den Wärmeverlust beeinflussenden physikalischen Faktoren, wie etwa Kühlung, die Verlustleistung ändern, die der PTC benötigt, um seine Innentemperatur aufrechtzuerhalten. Kurz gesagt, PTCs weisen keinen konstanten quantifizierbaren Auslösewiderstand auf.

Es ist wichtig, diesen Hauptunterschied zwischen einer herkömmlichen Sicherung und einer PTC-Sicherung zu beachten, insbesondere, dass der Lastkreis im Störungsfall nicht vollständig isoliert ist und dass immer noch ein hochohmiger Leckpfad durch diesen hindurch verläuft. Eine typische Anwendung für PTCs ist der Einsatz in Sicherheitsstromkreisen als Begrenzer für den Überstromschutz, wie er von der UL-UL1434 und TÜV-Norm EN 60738-1-1 abgedeckt wird. Weitere Informationen zu den Zulassungen der Sicherheitsbehörden für die einzelnen Komponenten finden Sie in den Komponenten-Datenblättern.

Neben USB-Schnittstellen gibt es weitere Anwendungen, die vom PTC-Schutz profitieren:

Rücksetzbare PTC-Sicherungen

Die rücksetzbaren PTCs von Bel sind für den Einsatz in Anwendungen von -40 °C bis +85 °C ausgelegt und in herkömmlichen radial bedrahteten Komponenten und oberflächenmontierten (SMD (oberflächenmontiertes Bauelement)) Chipgehäusen in Größen von 0603 bis 2920 erhältlich.

Die 0ZCM Serie von 0603 SMD (oberflächenmontiertes Bauelement)-Komponenten bietet eine sehr kleine Größe, die für Anwendungen mit höchster Dichte auf Leiterplatten geeignet ist. Die typische Verlustleistung Pd für diese Komponenten beträgt 0,5 W. Einzelne Komponenten mit spezifiziertem Betriebsstrom (Haltestrom) von 50 mA bis 200 mA und entsprechenden Auslöseströmen von 150 mA bis 450 mA sind erhältlich. Abhängig von der aktuell ausgewählten Komponente und den Betriebsbedingungen bietet diese Serie eine kurze Auslösezeit von weniger als einer Sekunde (maximal 0,1 Sekunden) für Ströme im Bereich von 500 mA bis 2 A und eine maximale Betriebsspannung im Bereich von 9 V bis 15 V.

Im Vergleich dazu eignet sich die größere 0ZCF-Serie der 2920 SMD-Komponenten für Leiterplattenanwendungen mit höherer Leistung. Die typische Verlustleistung Pd für diese Komponenten beträgt 1,5 W. Einzelne Komponenten mit spezifiziertem Betriebsstrom (Haltestrom) von 300 mA bis 3 A und entsprechenden Auslöseströmen von 600 mA bis 5,2 A sind jeweils erhältlich. Abhängig von der tatsächlich ausgewählten Komponente und den Betriebsbedingungen bietet diese Serie maximale Betriebsspannungen von 6 V bis 60 V. Radial bedrahtete PTCs werden in einer Reihe von Serien mit 5,1 mm und 10,2 mm Leitungsabstand angeboten und können viel höhere Betriebsspannungen und -ströme unterstützen. Diese Komponenten sind für Stromversorgungen, Transformatoren und Geräteanwendungen geeignet.

Die 0ZRM-Serie unterstützt eine maximale Betriebsspannung von 120 V AC/V DC mit maximal 135 V AC/V DC. Einzelne Komponenten mit spezifiziertem Betriebsstrom (Haltestrom) von 100 mA bis 3,75 A und entsprechenden Auslöseströmen von 200 mA bis 7,5 A sind jeweils erhältlich.

Die 0ZRE-Serie unterstützt eine maximale Betriebsspannung von 240 V AC/V DC mit maximal 265 V AC/V DC. Einzelne Komponenten mit spezifiziertem Betriebsstrom (Haltestrom) von 50 mA bis 2 A und entsprechenden Auslöseströmen von 120 mA bis 4 A sind jeweils erhältlich.

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

Einschränkungen von PTC-Sicherungen

Polymer-PTC-Komponenten sind nur zum Schutz vor gelegentlichen Überstrom-/Übertemperaturfehlerzuständen vorgesehen und möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet, bei denen wiederholte und/oder anhaltende Fehlerzustände zu erwarten sind.

PTC-Komponenten sind möglicherweise nicht für den Einsatz in Schaltkreisen mit großer Induktivität geeignet, da die PTC-Auslösung große Spannungsspitzen erzeugen kann, die größer als die PTC-Nennspannung sind.