Der Widerstand - oft unbeachtet oder unterschätzt

In Datenblättern werden - wie es die Normen verlangen - die max. Warmwiderstände, d.h. der max. Spannungsfall bei einer Nennstrombelastung der Sicherung angegeben. In der Praxis werden dagegen möglichst geringe Spannungsfälle oder eher noch gegen 0 gehende Kaltwiderstände gewünscht. Die Schmelzleiter der Sicherungen sind - besonders im Nennstrombereich I> 0,5 A - in der Regel aus Cu, Ag oder aus einer Legierung beider Materialien. Natürlich werden auch andere Materialien oder Materialkombinationen eingesetzt, z.B. Ag/Cu+Sn oder Ms+Sn bei trägen Sicherungen oder - bei kleinen Nennströmen - auch Widerstandsmaterialien.
Die überwiegende Mehrzahl der eingesetzten Sicherungen weisen eine träge Abschaltcharakteristik auf. Die häufig zur Verwendung kommenden Materialkombinationen (Ag/Cu+Sn) sowie die Schmelzleiterkonstruktionen sind im Abschmelzverhalten physikalisch sehr komplex und daher schwer zu berechnen.
Die aufzuzeigende Widerstandsproblematik ist bei den einfacheren flinken Schmelzleitern jedoch vergleichbar. Die im folgenden Beispiel vorgestellte Sicherung ist eine häufig eingesetzte TR-Sicherung mit einem Nennstrom von 800mA, die verschiedene Firmen anbieten.

Die angegebenen Daten sind aus dem Datenblatt einer TR-Sicherung und stammt aus den 80er Jahren. Sie sind zwar nicht mehr aktuell entsprechen aber immer noch dem Stand der Technik  und sind daher für die folgenden Betrachtungen nach wie vor geeignet. Denn wie an anderer Stelle beschrieben hat sich in der grundlegenden Funktionsweise von Sicherungen nicht viel geändert.

Der Spannungsfall von 0,31 V DC wurde bei einer Belastung mit Nennstrom gemessen und entspricht einem Warmwiderstand von ca. 0,39 Ohm. Das entspricht einem Widerstandsanstieg des max. Kaltwiderstandes von ca. 420%, also mehr als das vierfache des Kaltwiderstandgrenzwertes.  Die konkrete Temperatur des Schmelzleiters ist zwar nicht bekannt, aber es ist leicht einsehbar, dass diese Temperatur bei einer Belastung des Schmelzleiters von 200% und mehr erheblich höher ist. Um den Spannungsbedarf des Schmelzleiters bei ca. 900°C bis 1000°C – also kurz vor dem Schmelzen des Drahtmaterials – zu ermitteln, kann die bekannte Gleichung

nicht verwendet werden. Die Berechnung wird auch deshalb schwierig weil die Temperaturkoeffizienten  und  nur bis etwa 200°C linear sind und mit höher werdender Temperatur expotenzial  ansteigen. Im Labor wurden Werte von etwa 10 – 20fachem Nennspannungsfall gemessen. Im Beispiel würde das bedeuten, dass selbst bei dem geringeren Spannungsfall nach Herstellerangabe der Schmelzleiter kurz vor dem Schmelzen einen Spannungsbedarf von 3-6V hat.

Kann diese Spannung von der zu schützenden Schaltung nicht geliefert werden, wird das Abschalten des Fehlerstroms zum Zufallsergebnis. Ein Schmelzleiter wie in einer G-Sicherung von 19mm Länge, glatt gespannt und in Luft wird dennoch zerfallen. Schwerkraft oder Erschütterungen aus der Umgebung führen dann zum Zerfall des glühenden, fast flüssigen Schmelzdrahtes.
Schmelzleiter die auf einem Träger gewickelt sind und ggf. noch mit Zinn überzogen sind haben es da schon schwerer. Besonders das Zinn oder besser der nicht eindiffundierte Zinnrest auf dem Schmelzleiter nimmt schnell und viel Sauerstoff auf. Das entstehende Zinnoxid ist u.U. mechanisch sehr stabil und behindert den Zerfall des Schmelzleiters. Ein solcher Schmelzleiter schaltet dann, bei zu geringem Spannungshub, nicht ab und kann dann ggf. das folgende Aussehen haben:

Der Schmelzleiter stellt keine galvanische Trennung dar. Er ist sicher hochohmig, aber welche Leistung dann noch umgesetzt wird ist dann von vielen Randbedingungen abhängig. Ob der auslösende Fehlerstrom bzw. der Reststrom dann keinen Schaden mehr anrichten kann ist ebenfalls vom Zufall anhängig.

Der Produktentwickler und Schaltungsdesigner des Anwenders muss diesen Fall betrachten, Werte beim Sicherungshersteller erfragen oder selbst Messungen durchführen denn die Produktverantwortung und die Prokthaftung liegen bei ihm. Der Sicherungshersteller wird ihm das nicht abnehmen, zumal er sich auf seine nach Norm durchgeführten Prüfungen berufen kann – die sehen solche Betrachtungen i.d.R. aber nicht vor.

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Das Ausschaltvermögen (Schaltvermögen) – eine wichtige aber sehr theoretische Angabe

„Unter dem Schaltvermögen versteht man nach den VDE-Bestimmungen (VDE 0820/DIN 41680 – Anm. d. Autors) den Strom, der in einer bestimmten Schaltanordnung und bei einer vorgeschriebenen Spannung von dem Schmelzeinsatz ohne Zerstörung der Kontaktkappen und des Isolierrohres und ohne Stehenbleiben eines Lichtbogens einwandfrei unterbrochen wird.“

                                                                                         (Ober-Ing. Hermann Bellen, Die Geräte-Sicherung, Wickmann 1955)

So wurde das Schaltvermögen ab etwa 1950 definiert. Soweit mir bekannt sprach man vor diesem Zeitraum lediglich von einem geräteabhängigen Kurzschlussstrom. Warum diese Definition noch heute richtig ist und warum sie für unsere kritische Betrachtung interessant ist, wird weiter unten noch erläutert.

Heute würde die Definition etwa so lauten:

Mit dem Schaltvermögen (eigentlich Ausschaltvermögen) wird ein maximaler Stromwert  angegeben, den die Sicherung bei ihrer angegebenen Nennspannung ausschalten können muss ohne sich selbst zu zerstören (vom Schmelzleiter mal abgesehen) und damit ihr Umfeld nicht zu gefährden.

Was die Konstruktion der Sicherung also beherrschen muss, ist die im Abschaltaugenblick umgesetzte Energie. Das folgende Diagramm zeigt den Strom und Spannungsverlauf einer Abschaltung bei 250 V Wechselspannung.

Die Sicherung führt den Strom bis zum Maximum der Sinushalbwelle (was bis dahin etwa ihrem angegebenen I²t-Wert der entspricht). Die Abschaltung lässt dann einen Lichtbogen zu, der erst im Spannungsnulldurchgang erlischt. Die dabei umgesetzte Energie kann so hoch sein und über einen so langen Zeitraum anstehen (immerhin im Millisekunden Bereich), dass sich Sicherung, Halter und Strom zuführende Leitungen erheblich erhitzen, u.U. bis zum Abschmelzen.

Die maßgeblichen Normen geben daher Prüfbedingungen und Prüfkriterien vor. Das dient zwar der Vergleichbarkeit von Prüfergebnissen und gibt eine gewisse Sicherheit, ist aber oft jenseits jeder Praxis.

Leitungen und Halter im Prüfkreis sind massiv ausgelegt, um in kurzer Zeit viel Wärme aufnehmen zu können. Sie entziehen der Sicherung damit aber auch Energie. Das dient der Lichtbogenkühlung und macht den Abschaltvorgang so leichter beherrschbar.

Der Schaltkreis der Prüfschaltung ist als rein ohmsch oder induktiv definiert.  Im letzteren Fall wird eine bestimmte Phasenverschiebung (i.d.R. cos=0,7) vorgegeben. Das ist zwar sinnvoll, weil in diesem Fall eine Abschaltung voraussichtlich im Spannungsmaximum eintritt, es gibt aber keinen Anhaltspunkt über das Abschaltverhalten bei anderen induktiven Kreisdaten. Von kapazitiven Einflüssen wird kaum berichtet.  Grundsätzlich gilt: Induktivitäten unterstützen die Lichtbogenzündung und Kapazitäten die Lichtbogendauer. Andere Kreisdaten (z.B. in der Praxis) bedeuten daher auch ein mögliches völlig anderes Abschaltverhalten.

Der Einschaltwinkel, bezogen auf die Spannungshalbwelle, ist mit 30° zwar vorgegeben und es werden auch verschiedene Einschaltwinkel getestet, die Prüfanlagen sind – was die Reproduzierbarkeit des eingestellten Winkels angeht - oft sehr ungenau so dass eine Praxisrelevanz der Prüfungen kaum gegeben ist. Von "...einem geräteabhängigen Kurzschlussstrom..." als Prüfvorgabe kann also heute nicht mehr die Rede sein.

Die durch Normen vorgegebene Prüfmenge sind allerdings – weil zerstörende Prüfung und hoher Prüfaufwand – sehr klein und die Fehlerbeschreibung sehr interpretationslastig. So gibt z.B. die IEC 60127-1 2002 eine Prüfmenge von 3 (drei) Prüflingen und – wenn nach fehlerhaftem Ergebnis – für eine Nachprüfung nochmals 3 Prüflinge vor. Dabei sind drei Fehlermerkmale beschrieben, die nicht zugelassen sind (9.3.2 Criteria for satisfactory performance): Dauerlichtbogen, Rückzündung eines Lichtbogens nach Abschaltung innerhalb von 30 Sekunden und ein Zerplatzen des Sicherungskörpers. Begrenzte Brandlöcher in den Kontaktkappen der Sicherung sind je nach Norm zugelassen oder nicht (UL/IEC).

Sicherlich sind meine Ausführungen nicht repräsentativ für alle Normen, Bauformen und auch nicht für alle durchgeführten Prüfungen der Produktentwickler. Es wird erheblich mehr, variantenreicher geprüft und wesentlich kritischer Beurteilt aber es wird niemals die Praxis abgebildet.

Ich möchte hier auf keinen Fall den Sinn und Zweck der Normen anzweifeln aber – wie an vielen anderen Stellen dieser Seite auch – deutlich machen, dass der Anwender sich ausführlich mit der Auswahl von Sicherungen und den Eigenschaften der gewählten Sicherung befassen muss, denn die Verantwortung liegt nach meiner Meinung beim Anwender. Damit wird mit dem Einsatz einer normgerechten Sicherung m.E. die Produkthaftung für das zu schützende Gerät auf den Geräte-Hersteller verlagert.

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Gefährliche Pulse

Pulsförmige Belastungsströme sind in der Elektronik sehr häufig. Im Allgemeinen ist sie für die Sicherung unproblematisch, wenn bei der Sicherungsauswahl wichtige Details berücksichtigt wurden. Bei Einzelpulsen ist der I2t-Wert wichtig, bei pulsförmigen Dauerströmen ist die Berechnung des Effektivwertes entscheident, und allgemein sollte die Nennstromverschiebung durch eine mögliche Verstärkung der Alterung berücksichtigt werden.

Ein wichtiges, u.U. lebenswichtiges Detail bleibt jedoch häufig unberücksichtigt: Die mech. Wirkung hoher Stromdichten durch einen Strompuls auf den Schmelzleiter. Betroffen sind hier besonders Schmelzleiterdrähte die zu einer „Spule“ gewickelt sind. Diese sogenannten „Wickelschmelzleiter“ sind seit etwa 100 Jahren bekannt, aber erst in den letzten 25 Jahren verstärkt im Einsatz. Um für eine träge It-Charakteristik einen möglichst massiven Draht in der Sicherung unterzubringen, wird er zur Widerstandserhöhung häufig auf einen Träge gewickelt.  Damit entsteht eine Konstruktion mit vielen parallelen Leitern, die sich bei hohen Pulsamplituden mechanisch anziehen. So kommt es zu Windungsschlüssen.

Die dazu notwendige Kraft ist von der Höhe der Stromamplitude, dem Abstand der  Leiter und der Haftung des Drahtes auf dem Wickelträger abhängig. Grundsätzlich lässt die Anziehungskraft sich berechnen:

Ihre Auswirkung ist jedoch stark von der Haftfestigkeit des Drahtes auf dem Wickelträger abhängig. Der Effekt ist bisher nur wenig untersucht. Von daher möchte ich mich hier auf fotografisch dokumentierte Ergebnisse beschränken, die lediglich mögliche Auswirkungen zeigen.
Die folgenden Bilder zeigen eindruckvoll Schmelzleiter, die mit Pulsen wie sie im Telekombereich vorkommen, belastet wurden.

 (Quelle: private, eigene Untersuchungen)

Das linke Bild zeigt einen Schmelzleiter mit Sn-Auflage nach dem Puls. Der direkte Kontakt der Drahtwindungen wird hier noch durch Sn-Brücken verstärkt. Die Gefahr dieses Effektes besteht darin, dass die sich daraus ergebende Nennstromerhöhung (In_neu>In*2) völlig unbemerkt bleibt und erst im Fehlerfall zu unangenehmen Folgen führen kann. Der beabsichtigte und geplante Schutz ist völlig verloren. In wieweit andere, schwächere Pulse sich auswirken ist - soweit mir bekannt - nicht untersucht.
Natürlich sind Sicherungen mit fixiertem Schmelzleiter entwickelt worden und patentiert und somit möglich aber sie sind nicht Standard – leider.

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Der Überstrombereich - die unterschätzte Gefahr

Während das Gefährdungspotenzial von Widerstandsänderung, Schaltvermögen und Pulsbelastung bei Anwendern weitgehend unbekannt ist, wird das Verhalten einer Sicherung bei geringer Überlast von Anwendern oft nachgefragt und der unzureichende Schutz auch beklagt.

Überwiegend aber sind es durch Interessen der Hersteller gefilterte Informationen oder auf der Seite der Anwender fehlende Kenntnis der Sicherungsfunktionen oder einfach nur Desinteresse am "billig Bauteil" Sicherung die oft schwerwiegende Folgen haben können.

Eine Auswertung der Brandstatistik des IFS* weist jährliche Brandschäden von etwa 3 Milliarden-€ mit 600 Toten durch Wohnungsbrände aus deren Ursache mit ca. 36% ein defektes Gerät der Unterhaltungselektronik ist.

Ohne Sicherungen wäre der Schaden sicher größer. Mit einer fachgerecht ausgesuchten Sicherung wäre er wahrscheinlich kleiner.

Die Betrachtungen auf dieser Seite haben bisher viele Möglichkeiten aufgezeigt, für eine Applikation eine ungeeignete Sicherung auszuwählen. Die größte Gefährdung aber geht von einem Betrieb der Sicherung im Überlastbereich der Strom-Zeit-Kennlinie aus. Bei einer Belastung der Sicherung im Bereich von etwa 70% oder 100% (je nach Norm) ihres Nennstroms bis ca. 250% des Nennstroms - im Überstrombereich von 0,7*In bis etwa 2,1*In- ist ihr Verhalten weitgehend undefiniert und starken Streuungen durch Exemplar- + Chargenstreuung unterworfen.

Die folgende Darstellung der Strom-Zeit-Kennlinie zeigt die Abschaltzeit über dem Strom aufgetragen.

Sie ist in drei Bereiche unterteilt, dessen Erster hier näher betrachtet werden soll. Der Überstrombereich (Bereich 1 und z.T. noch 2) lässt das sichere Gefühl aufkommen, dass bereits ein geringer Fehlerstrom sicher abgeschaltet wird. Das täuscht (meiner Meinung nach) in unverantwortlicher Weise. Wird nämlich der Nennstrom der Sicherung mit eingezeichnet, wird das Gefahrenpotenzial deutlich  (rote Linie).

Bedenkt man zusätzlich, dass der Betriebsstrom (Dauerbelastung) nur bei etwa 70% - 100% des Nennstroms liegen soll, ergibt sich eine sichere Abschaltung erst bei einem Fehlerstrom, der um etwa 280% (2,8*Betriebsstrom) über dem Betriebsstrom liegen muss.

Was in diesem undefinierten Bereich geschieht bzw. geschehen kann zeigt die Praxis. Mit etwas Glück geschieht nichts. Die Sicherung, der Halter, die Leiterbahnen und - vor allem - die zu schützenden Bauteile werden zwar überhitzt, aber die zusätzliche Wärme kann problemlos abgeführt werden. Oder Irgendwann schmilzt irgendetwas durch. Der Brand des Gerätes rückt damit in den Bereich des Möglichen.

Das Argument der Sicherungshersteller, dass die Kennlinie im Überlastbereich durch Erwärmung oder Alterung nach links kippt und die Sicherung bereits bei kleineren Strömen abschaltet, ist zwar richtig, beseitigt aber das Problem nicht. Die folgende Grafik zeigt die Kennlinienverschiebung flinker und träger Sicherungen bei erhöhten Umgebungstemperaturen.

Ein Abkippen der Kennlinie verlagert den Problembereich nur zu kleineren Strömen hin. Das gleiche passiert übrigens auch im Verlauf der Alterung einer Sicherung. Nimmt man die gegebene Exemplarstreuung der Sicherungen und die montagebedingte Streuung der Wärmeableitung hinzu, kann die Sicherheit in dem so bedeutenden Überlastbereich zum Glücksspiel werden.

Abhilfe schafft nur eine tiefer gehende Kenntnis über die Funktion der Sicherung allgemein und eine gute Beratung über konstruktive Besonderheiten der gewählten Sicherung.

Obwohl durch Normprüfungen vieles auch in diesem Bereich abgedeckt wird (max. Verlustleistung und Erwärmung, Dauertests, usw ....) haben sie kaum einen Bezug zur vielfältigen Praxis – und können ihn auch nicht haben schon wegen der vorgeschriebenen Prüfhalter.

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Minimale Regeln für die Sicherungsauswahl

Durch die richtige Sicherungsauswahl werden die oben beschriebenen Probleme weitgehend gelöst. Aber offensichtlich nicht alle, wie die eingangs erwähnte Statistik des IFS zeigt. Im Folgenden ist ein Fragebogen der Firma Wickmann aus einem Katalog des Jahres 2000 und eine Beispielberechnung aus einer technischen Informationsschrift der Firma Wickmann aus dem Jahr 1992 einsehbar. Wie in allen hier vorausgegangenen Informationen möchte ich auch jetzt nicht weiter ins Detail gehen. Der individuelle Anwendungsfall ist fast immer anders gelagert und meist erheblich komplexer als dass er mit Kurzinformationen und z.T. alten Daten lösbar wäre, zumal die beschriebenen Probleme auch längst nicht vollständig sind.

Auswahlhilfe und Berechnungsbeispiel  (Vergrößerung bitte Bilder anklicken)

Wenn das Thema den Leser aber erstmal nachdenklich gemacht hat bin ich natürlich gern bereit mit Tipps und weiteren Informationen zu helfen. Mein Kompetenzprofil ist daher ebenfalls einsehbar.

Beratungskompetenz (Vergrößerung bitte Bilder anklicken)

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Wie Halter weich werden

Eigentlich bezeichnet der Begriff „Sicherung“ die Kombination aus „Sicherungshalter“ und „Sicherungsschmelzeinsatz“. Aber bleiben wir bei den gebräuchlichen Bezeichnungen „Sicherung“ und „Halter“.

Sicherungshalter sind fast so alt wie die Sicherungen selbst. Die zunehmende Anzahl der el. Geräte führte zu immer höheren Nennstromwerten der Leitungssicherungen. Die zum Schutz notwendige Selektivität der Absicherung wurde durch die Absicherung einzelner Geräte wieder hergestellt. Die Sicherungen wurden in Sicherungshaltern aufgenommen die in der Regel in der Front- oder Rückwand der Geräte montiert wurden. Der Sicherungsträger, die Halterkappe war leicht zugänglich und die Sicherung konnte leicht ausgetauscht werden. Das folgende Bild zeigt Sicherungshalter aus den 30ger Jahren des letzten Jahrhunderts. Halter dieser Art haben die meisten Sicherungsfirmen noch heute im Programm.

Erst in den 80ger Jahren kamen mit dem Siegeszug der Leiterplatte Halter mit wesentlich filigranerem Aufbau auf den Markt. Die Geräte wurden kleiner und damit der Platz in der Front- oder Rückwand. Häufig werden Halter direkt auf die Leiterplatte montiert z.B. um einzelne Baugruppen oder gar Bauteile abzusichern.

Anders als bei den oben gezeigten Haltern ist hier die Kontaktierung von Halter und Kappe nicht durch eine feste Schraubverbindung realisiert sondern durch Schleif- oder Federkontakte. Das folgenden Bild zeigt eine solche Kappe mit einem Schleifkontakt. Das Bild daneben zeigt die Kontaktierung im Halter.

Diese Kontaktierung ist durch geeignete Materialien und Oberflächenveredlungen gesichert und umfangreich geprüft.

Aber, wie immer gibt es ein „Aber“ und die berühmten Ausnahmen.

Die verwendeten Materialien sind Federmaterialien aus z.B. Kupferbronze oder einfach Messing. Die Oberflächen sind in der Regel verzinnt, manchmal versilbert. Eine Unterkupferung wird nur vorgenommen wenn eine Schweißverbindung notwendig ist.

Probleme die zum Sicherheitsrisiko werden können bereiteten die Erwärmung des Halters und Vibrationen denen die Geräte ausgesetzt sind.

Die Erwärmung des Halters führt - auf lange Sicht gesehen - einmal zur Ermüdung des Federmaterials und zu einem Nachlassen der Kontaktkräfte. Darüber hinaus kann es - je nach atmosphärischen Umgebung - zu einer Oxidation der Kontaktoberflächen kommen. Zusätzliche Vibrationen oder Erschütterungen können dann zu einer Erhöhung der Kontaktwiderstände oder gar zu kurzzeitigen Unterbrechungen führen. Besonders bei auftretenden Unterbrechungen steht dann über dem Halterkontakt die volle Betriebsspannung an. In diesen Fällen können kleine Schaltlichtbögen gezogen werden die den Alterungsprozess der Kontakte beschleunigen und so durch hohe Kontaktwiderstände zu einer erhöhten Erwärmung des Halters führen. Im Extremfall verbrennt nicht nur der Halter sondern die Kontakte werden durch Schaltlichbögen zusammengeschweißt und die Kappe kann nicht mehr vom Halter getrennt werden.

Damit keine Missverständnisse aufkommen: Solche Fehler entstehen nur wenn hohe Betriebstemperaturen, hohe Betriebsspannungen und starke Vibrationen zusammenkommen.

Aber solche Fehler kommen vor wie die folgenden Bilder zeigen.

Grundsätzlich sind diese Art Fehler nicht auf die oben gezeigten Halter beschränkt sonder immer wenn die Kontaktgabe zwischen Halter und Kappe oder Halter und Sicherung (z.B. bei Clipp-Haltern) auf der Basis von Federkräften erfolgt.

In alle Fällen wo solche Betriebsbedingungen möglich sind sollte eine gute Beratung durch den Sicherungshersteller gewährleistet sein. Im Zweifel sollten ggf. Sonderprüfungen angefordert werden. Die Hersteller sind im Allgemeinen entsprechend ausgestattet bzw. können unabhängige Prüflabors beauftragt werden.

Prüfeinrichtungen

Mein kleines Prüflabor ist lediglich mit dem Wichtigsten ausgestattet:
Dazu gehören zwei PC-steuerbare Konstant-Stromquellen 0-15V DC mit 8A bzw. 30A DC
Ein PC-Messsystem "LabJack" und ein Mikroskop mit Fototubus.

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