Sicherungswiderstände
Eine Alternative
mit Problemen
„Die meisten Brände verursachen nach Angaben der Feuerwehr
Fehler in elektrischen Anlagen und Geräten oder leichtsinniger Umgang mit
elektrischen Haushaltsgeräten. Aber in jüngster Zeit lösen auch immer wieder
neue Geräte, die mit einer Elektronik ausgestattet sind wie Ladegeräte für
Handys, Stromsparlampen, PC und so fort Brände aus (vergleiche auch WISO 13.
März 2006).
Aus“Risiko Wohnungsbrand“ – Infoschrift „Feuerwehr und Rettungsdienst
Landeshauptstadt Düsseldorf“
Die meisten Brände entstehen vermutlich
nicht durch Kurzschlüsse oder explodierenden Bauteile sondern durch Staub
und/oder Staubflocken (sog. „Wollmäuse“ ), die sich je nach Zusammensetzung und
Konsistenz bereits bei Temperaturen ab ca. 120°C entzünden können. Diese
Temperaturen werden bei Sicherungswiderständen unter Überlastbedingungen leicht
erreicht. Im Versuch wurden an Sicherungswiderständen Temperaturen von über
300°C gemessen. Auch wenn diese Belastungsbedingungen nicht die Regel sind,
verhalten sich Sicherungswiderstände mit „echter Sicherungsfunktion“ im
Fehlerfall wesentlich moderater.
Das folgende Beispiel mit Überlegungen
zu Möglichkeiten der Realisierung von Widerständen mit echter
Sicherungsfunktion stammt aus der Geschichte der Wickmann-Werke. Ein Bauteile
mit dem Arbeitstitel „SWK“ (Sicherungs Widerstands Kombination) war das letzte Projekt in einer langen
Reihe von Entwicklungen auf dem Gebiet der Sicherungswiderstände.
Wie seine Vorgänger (z.B. der „Schaltwiderstand 19910 aus dem Jahr 1983) ist
der SWK in Schichttechnik realisiert und in dieser Ausführung auch durch
Patente geschützt.
Der folgende Entwurf (der in der
vorliegenden Form veröffentlicht wurde) einer Informationsschrift fokussiert
zwar nur einen Teilbereich der Anwendungen für Sicherungswiderstände, aber mit
Sicherheit den Bereich der Entwickler „schlecht schlafen lässt“. So sah das
zumindest der Entwicklungsleiter einer großen deutschen Elektronikfirma.
1. Strombegrenzung und Überstromschutz bei Kondensatoren
Die maximale Belastbarkeit von Kondensatoren wird im Wesentlichen von der
Spannung, der Frequenz und dem Strom (Pulsstrom) bestimmt. In einer Vielzahl
von Anwendungen werden Kondensatoren gemeinsam mit Vorwiderständen eingesetzt.
Die Aufgabe dieser Widerstände besteht darin, pulsförmige Lade- und
Entladeströme oder einen möglichen, ungewollt hohen Fehlerstrom auf ein
verträgliches Maximum zu begrenzen. Während Lade- und Entladevorgänge zum
Normalbetrieb einer Kondensator- Widerstandskombination gehören, können
Fehlerströme zu einer hohen Dauerbelastung des Widerstandes führen und ihn
letztlich zerstören. Der mögliche Fehlerfall kann dabei durch die der
RC-Kombination folgende Schaltung verursacht werden oder durch den Kondensator
selbst. Während mögliche Schäden durch Fehlerströme in der nachfolgenden
Elektronik häufig schaltungstechnisch begrenzt werden, ist die
alterungsbedingte Erhöhung des Kondensatorleckstromes bis hin zur Überlastung
der vorgeschalteten Bauelemente kaum vorhersehbar.
Die Alterung eines Kondensators wird im Wesentlichen von der Spannung,
dem Strom (Pulsanstiegszeit) und der Frequenz bestimmt. Die Wirkungen dieser
Faktoren sind wiederum stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Bereits bei
Temperaturen von ca. 60 °C steigt der Verlustfaktor tand an und die
Spannungsfestigkeit nimmt ab.
In der Literatur findet sich als Aussage zur Lebensdauer von
Kondensatoren die maximale Beanspruchungsdauer B (Summe aus Lager-, Betriebs-
und Pausenzeiten). Die folgende Grafik zeigt die Beanspruchungsdauer für
Elektrolytkondensatoren in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Das
Diagramm zeigt eine deutliche Reduzierung der Beanspruchungsdauer bei
Temperaturen über 60 °C.
Wird
durch nicht vorhersehbare Betriebsbedingungen die maximale Lebensdauer eines Kondensators
vorzeitig erreicht, können sich langsam Fehlerströme aufbauen, die den
Vorwiderstand stark überlasten.
Für diesen Fall werden in der
Regel Schutzmaßnahmen vorgesehen.
Schutzmaßnahmen mit
Sicherungswiderständen
Sicherungswiderstände haben oft nur einen kleinen Bereich der Kennlinie
definiert. Besonders im Überstrombereich sind Sicherungswiderstände daher bei
Fehlfunktionen der Schaltung oft eher eine zusätzliche Gefahr als ein Schutz.
Dennoch werden zum Schutz häufig Sicherungswiderstände als Vorwiderstände
eingesetzt. Diese sind in der Lage, den Stromkreis bei hohen Überströmen, wie
z.B. bei einem Kurzschluss zu unterbrechen. Als Schutz vor geringeren
Überlasten sind sie jedoch nur unzureichend geeignet. Sicherungswiderstände
können eine so große thermische Verlustleistung, erzeugen, dass sie zu einem
akuten Sicherheitsrisiko werden können.
Während der Arbeiten an dieser Seite
verabschiedete sich das Steckernetzteil meiner Schreibtischlampe mit Knistern,
einer kleinen Stichflamme und Rauch. Die beiden Fotos zeigen einen überlasteten
Sicherungswiderstand der nur durch rechtzeitiges Abschalten der Speisespannung,
dem großen Abstand zur Platine und der Staubfreiheit am völligen Abbrennen
gehindert wurde.
Schutzmaßnahmen mit Sicherungen
Im Unterschied zu Sicherungswiderständen bieten Schmelzsicherungen sowohl
bei Fehlerströmen im Überlastbereich als auch im Kurzschlussbereich den
notwendigen Schutz vor Folgeschäden durch einen Defekt der Elektronik.
Sicherungen mit träger Ansprechcharakteristik reagieren auch im Bereich rel.
geringer Überlast in einem definierten und engeren Zeitbereich als
Sicherungswiderstände. Sie sind in Konstruktion und Funktion auf ein sicheres
Unterbrechen des Fehlerstromes ausgelegt.
Ein weiterer Grund für den Einsatz von Sicherungen ist ihre Fähigkeit,
hohe Ströme auch bei Nennspannung def. auszuschalten und dabei einen hohen
Isolationswiderstand nach der Trennung sicherzustellen.
Nachteilig ist, dass ihr Widerstand standardgemäß aber sehr gering ist
und oft mit einem hohem Temperaturkoeffizienten (TK) behaftet ist. Die
Ausrichtung ihrer Funktion auf ein bestimmtes Kennlinienverhalten lässt dabei
in der Regel hohe Widerstandsstreuungen zu (+- 15% Exemplarstreuung sind
üblich).
Die Notlösung der Praxis
Um die bedeutenden Funktionen beider Bauteile wie def. Kurzschluss- und
Überlastschutz sowie Strombegrenzung mit geringem TK in einer R, C-Kombination
abzubilden, werden vereinzelt beide Bauelemente kombiniert.
Eine teure und wg. der strombegrenzenden Wirkung des Widerstands sehr
zweifelhafte Lösung
2. Die innovative Lösung – die
Sicherungs-Widerstand-Kombination (SWK)
Mit der Kombination der wesentlichen Eigenschaften von Widerstand und
Sicherung auf einem SMD-Chip wurden Bauteile entwickelt, die im Normalbetrieb
wie ein Widerstand wirken und im Fehlerfall wie eine Sicherung reagieren.
Abgrenzung der dominanten Eigenschaften wie Widerstand, max.
Verlustleistung und TK auf der einen und Kennlinie, Schaltvermögen und
Pulsfestigkeit auf der anderen Seite sind die herausragenden Merkmale der SWK.
Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Eigenschaften der jeweiligen
Bauteilfunktion auf einen Blick:
Die Sicherungseigenschaften des SWK:
- strombezogene Kennlinie
der Abschaltzeiten
- Teilbereichskennlinie bis weit in
den Überlastbereich hinein definiert
- geringe Eigenerwärmung des Bauteils
im Fehlerfall
- hohes Ausschaltvermögen bei
angegebener Nennspannung
- hoher Isolationswiderstand nach dem
Abschalten des Fehlerfalls
Die Widerstandseigenschaften des SWK:
- großer Widerstandsbereich von mW bis W
- Widerstandstoleranz von ±10 %
- kleiner Temperaturkoeffizient
- große Langzeitstabilität bei hoher
Belastbarkeit
- hohe Pulsfestigkeit
Die folgenden Kennlinien vergleichen die Kennlinie eines SWK-Bauteils mit
denen handelsüblicher Sicherungswiderstände. Die grüne Kennlinie einer SWK
bietet – im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherungswiderständen – einen
Vollbereichsschutz (soweit das bei Schmelzsicherungen möglich ist; siehe auch
den Beitrag „Risikobericht“). Ansonsten ist die Darstellung wohl
selbsterklärend, so dass die deutlichen Vorteile hinsichtlich der
Gerätesicherheit nicht näher erläutert werden müssen.
Die „Bauteilkombinationen“ des SWK-Konzeptes wurden auf SMD-Chips der
kleinsten Größe von 2510 realisiert und getestet. Kleinere Größen und
leiterbahnintegrierte Lösungen wurden angedacht aber nicht weiterverfolgt.
Leider, denn bei allen Problemen von Schmelzsicherungen (siehe den
Risikobericht auf dieser Seite) bietet die SWK-Lösung erheblich mehr Sicherheit
als Sicherungswiderstände (die so manchen Produktentwickler schlecht schlafen
lassen).