Kurzbeschreibung verschiedener der Projekte

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Seit mehr als 100Jahren werden in der Elektrotechnik Schmelzsicherungen zum Schutz elektrischer Geräte und Bauteile eingesetzt. Sie schützen elektrische Verbraucher vor einer, durch eine fehlerhafte Belastung ausgelöste Überhitzung und der damit verbundenen Brandgefahr. Etwa seit den 60ger Jahren werden zunehmend Leiterplatten ("gedruckte Schaltungen") eingesetzt. Sicherungen werden nicht mehr nur in gehäusemontierten Haltern eingesetzt, sondern werden direkt in (THT) oder auf (SMT) die Platine gelötet. Der geänderte Einsatzort, der direkte Einbezug in eine Bauteilumgebung macht nicht nur neue Fertigungstechniken und Sicherungskonstruktionen notwendig, sondern auch eine Neudefinition von Funktionseigenschaften für diese Schmelzsicherungen. Waren anfangs die ökologischen Auswirkungen der erheblich komplexeren Fertigungstechniken, die für die neu entwickelten Sicherungen notwendig waren, nebensächlich, so erhielt dieser Aspekt doch mit zunehmender Miniaturisierung und steigenden Stückzahlen immer mehr Bedeutung. Immer kleinere Sicherungen führten nicht nur zu schwerer beherrschbaren Montage-Lötstellen, sondern auch zu immer aufwendigeren Konstruktionen und Produktionsprozessen in der Sicherungsherstellung. Hinzu kommt eine mit der Miniaturisierung proportional steigende Abhängigkeit der Sicherungsfunktionen von der Bauteilumgebung. Zwar versuchen die Normen auf die geänderten Anforderungen zu reagieren, aber die Schere zwischen Praxisanforderungen und international vergleichbaren Laborprüfungen öffnete sich immer weiter. Das im Folgenden beschriebene Projekt sollte Möglichkeiten aufzeigen diese Defizite der aktuellen Entwicklung durch Integration der Sicherungsfunktionen in die Leiterbahn zu beheben und damit ökologische- und Sicherheitsaspekte in den Vordergrund zu stellen. Um nötigenfalls patentrechtlich freie Entwicklungsrichtungen für das Projekt zu erschließen wurden Untersuchungen bzw. Recherchen mit "neuen" Materialien und Materialkombinationen in das Projekt aufgenommen.

Darstellung der Arbeitsschritte und angewandte Methoden.

Ermitteln der Anforderungen aus Anwendersicht.

Mit der im Projekt erreichten Übertragung von elementaren Funktionen der Schmelzsicherungen auf definiert gestaltete Leiterbahnabschnitte einer komplexen Leiterplatte können in vielen Bereichen und Applikationen deutliche ökologische und sicherheitstechnische Vorteile realisiert werden. Anforderungen der Ökologie. Eine Studie der Uni-Zürich aus dem Jahr 2006 zeigt, dass eine mögliche Verbesserung der Öko-Bilanz einer bestückten Leiterplatte und einzelner Bauteile unter einem ganzheitlichen Ansatz bewertet werden müssen. In sofern ist das im Projektantrag aufgezeigte ökologische Verbesserungspotential deutlich auszuweiten. In der Studie wird nachgewiesen, dass die Herstellung von Bauteilen sowie ihre Lagerung, Verpackung, Transport, Montage und Entsorgung in eine Bewertung der Öko-Bilanz mit einbezogen werden müssen. Der Ersatz von Sicherungen als SMT- oder THT-Bauelement durch Leiterbahnsicherungen reduziert nicht nur den Einsatz von Schadstoffen wie z.B. Blei in Lotverbindungen, sondern vermeidet z.B. auch Nass-Chemische Prozesse der Sicherungsherstellung. Allgemein wird durch den Einsatz von Leiterbahnsicherungen der Bedarf an Energie für Herstellung, Transport und Montage eingespart. So weist die Studie z.B. für die Montage eines SMD-Bauteils einen Energiebedarf von ca. 0,01 Kwh nach. Bei THT-Bauteilen kommen noch etwa 12% des gesamten Herstell-Energiebedarfs für das Bohren der Montagelöcher hinzu. Der geschätzte Bauteilbedarf aus dem Projektantrag konnte bis zum Projektende noch nicht verifiziert werden, weil das Ergebnis einer Kundenbefragung noch nicht vorliegt. Es wird aber davon ausgegangen, dass bis zu 50% des geschätzten Bedarfs an SMT-/THT-Sicherungen durch Leiterbahnsicherungen ersetzt werden können.

Anforderungen der Sicherheit. Gerätesicherungen schützen Geräte, Baugruppen oder einzelne Bauteile vor Überhitzung indem sie schädliche Überströme durch Aufschmelzen eines definierten Leiterbereichs abschalten. Die notwendigen Eigenschaften wie Nennstrom, Abschaltkennlinie (Strom-Zeit-Kennlinie) und Ausschaltvermögen sind durch internationale Normen einheitlich vorgegeben. Das hat einerseits den Vorteil der Vergleichbar- und Prüfbarkeit dieser Eigenschaften, hat aber andererseits den Nachteil, dass diese Kenndaten ein Raster bilden, in dem sich die jeweilige Applikation mit ihren Schutzansprüchen wieder finden muss. Dass dies offensichtlich nicht immer gelingt, zeigt eine Brandursachenstatistik des IFS Kiel. IFS-Statistik 2008 Inwieweit Wohnungsbrände durch geeignete oder besser angepasste Sicherungen vermieden werden können, geht daraus nicht hervor, dennoch mahnt das IFS regelmäßig eine Verbesserung der Gerätesicherheit an. Die notwendige Anpassung der Sicherungseigenschaften an die Gegebenheiten einer Applikation (wie das bis etwa 1943 üblich war) ist aber nur durch direkte Integration der Sicherung in die Applikation möglich. Die häufig komplexen Herstellungsprozesse von kleinsten Schmelzsicherungen machen eine Individualisierung des Bauteils Sicherung jedoch kaum möglich. Das im Projekt entwickelte Konzept der Leiterbahnsicherung ist für alle Möglichkeiten einer applikationsgerechten Anpassung wichtiger Sicherungsfunktionen (z.B. Trägheit der Kennlinie nach IEC-Norm, Abschaltstrom, Erwärmung und Ausschaltvermögen) geeignet. Dabei können Auswirkungen der Schaltungsumgebung (Einbaulage, Erwärmung benachbarter Bauteile, kühlende Luftströmungen,..) ggf. in die Auslegung der Sicherungen einbezogen werden. In vielen Fällen lässt sich so die Gerätesicherheit deutlich verbessern.

Fazit und Ausblick

Die Übertragung wesentlicher Sicherungsfunktionen auf definierte Leiterbahnabschnitte war zentrale Aufgabe des Projektes. Die Aufgabe wurde im Projekt gelöst und damit die Grundlage für einen ökologisch effizienten und individualisierten Überstromschutz geschaffen. Die entwickelten Verfahren z.B. des Nennstromabgleichs durch selektives Ätzen können noch über den Versuchstatus der Anlagen hinaus erheblich verbessert und so effizienter gestaltet werden. Einschränkungen wurden nur insofern festgestellt, als dass der betriebene Aufwand bei Konstruktion und Herstellung von Leiterbahnsicherungen teilweise die Möglichkeiten einer Standard-Leiterplattenfertigung übersteigt. So kann etwa die Betriebsspannungsebene durch die entwickelte Mehrschichtabdeckung des hot spot deutlich angehoben werden, wenn die Verarbeitung der Materialien in den Herstellprozess integrierbar ist. Da wo das nicht möglich oder nicht gewollt ist, sind Einschränkungen bei der Höhe der Betriebsspannung oder des Ausschaltvermögens sinnvoll und in sofern z.T. nicht vermeidbar. Die Versuchsergebnisse der realisierten Schutzkonzepte und Herstellverfahren wurden an Mustermengen von n<50 Stück ermittelt. Auf umfangreichere Mustermengen wurde im Projekt-Rahmen u.A. wegen des starken individuellen Charakters der Design-Lösungen verzichtet. Da in der Entwicklung und Normung der verwandten Chipsicherungen umfangreiche, statistisch gesicherte Versuchsergebnisse erarbeitet wurden, kann die statistische Absicherung der Schutzkonzepte auf zukünftige individuelle Lösungen verlagert werden. Mit Abschluss des Projektes werden die beteiligten Firmen daher Beratung und Unterstützung zur Realisierung eines ökologisch effizienten und individualisierten Überstromschutz anbieten.