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Sicherheit in Reihe

1 PPTC-Elemente beanspruchen nur wenig Platz und tragen zur Miniaturisierung bei
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Zuverlässige, preisgünstige und selbstrückstellende PPTC-Elemente (Polymeric Positive Temperature Coefficient) haben sich als Standardlösung für den Überstromschutz in elektronischen Geräten etabliert. Durch eine breite Auswahl an Baugrößen und technischen Parametern kann der Anwender für seine individuelle Applikation stets ein optimales Schutzelement finden.

Barry Brents, Field Application Engineer bei Raychem Circuit Protection Division of Tyco Electronics Corp. in Menlo Park, Kalifornien/USA

Weiterentwicklungen hinsichtlich Baugröße, Leistungsfähigkeit und Kosten haben den PPTC-Elementen zu einer enormen Verbreitung in der Industrie verholfen. Sie schützen vor schädlichen Überströmen und vor Überhitzung. Wie konventionelle Schmelzsicherungen begrenzen sie gefährlich hohe Ströme; das PPTC-Element ist jedoch gegenüber einer Schmelzsicherung selbstrückstellend und nach Beheben der Störung wieder einsatzbereit.
PPTC-Elemente sind keine Sicherungen
PPTC-Elemente werden zwar häufig als selbstrückstellende Sicherungen bezeichnet, doch handelt es sich bei ihnen um nichtlineare Thermistoren. Während sie den Stromfluss begrenzen, kann eine Schmelzsicherung den Strom lediglich unterbrechen. Die Schmelzsicherung muss dann ausgetauscht werden. Ein PPTC-Element wird dagegen auch nach dem Ansprechen noch von einem geringen Strom durchflossen. Es benötigt im aktivierten Zustand diesen geringen Reststrom oder eine externe Wärmequelle, um in diesem Zustand zu verbleiben. Wird die Störung behoben oder die Stromversorgung abgeschaltet, fällt diese interne Wärmequelle weg und das Element kehrt in seinen niederohmigen Zustand zurück.
PPTC-Elemente bestehen aus einer Mischung von semikristallinem Polymer und leitenden Partikeln. Bei normaler Temperatur bilden die leitfähigen Par-tikel niederohmige Netze innerhalb des Polymer-Materials. Sobald jedoch das Element über seine Ansprechtemperatur hinaus erwärmt wird, schmelzen die kris-tallinen Polymerteilchen und werden amorph. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Erwärmung von einem starken Strom durch das Element selbst oder von einer Zunahme der Umgebungstemperatur verursacht wird. In jedem Fall bewirkt die Volumenzunahme beim Schmelzen der kristallinen Phase, dass die leitenden Partikel getrennt werden und der Widerstand überproportional ansteigt.
Der Widerstand nimmt dabei normalerweise um drei oder mehr Größenordnungen zu. Dieser erhöhte Widerstand schützt die Bauelemente des betreffenden Stromkreises, indem der im Störungsfall fließende Strom auf ein gleich bleibend niedriges Niveau begrenzt wird. Der Baustein verbleibt in diesem hochohmigen Zustand, bis die Störung behoben und die Stromversorgung des Stromkreises abgeschaltet wird. Das leitende Verbundmaterial kühlt sich daraufhin ab, wo-raufhin das PPTC-Element wieder seinen ursprünglichen niedrigen Widerstand annimmt und das betreffende Gerät wieder normal funktionieren kann.
Einsatz von PPTC-Elementen
PPTC-Elemente werden mit dem zu schützenden Stromkreis in Reihe geschaltet. Durch ihre geringe Größe beanspruchen sie nur wenig Platz und tragen dadurch zur Miniaturisierung bei. Im Unterschied zu Schmelzsicherungen, die austauschbar sein müssen, können die selbstrückstellenden PPTC-Elemente auch an unzugänglichen Stellen montiert werden. Da sie außerdem keine beweglichen Teile enthalten, verkraften sie mechanische Stöße und Vibrationen.
PPTC-Elemente werden beispielsweise in großem Umfang zum Schutz von USB-Anschlüssen eingesetzt. Der Universal Serial Bus ist mittlerweile das Standard-Verbindungsmedium zwischen Peripherie und Computer. Da es im Interesse der Plug-and-Play- bzw. der Hot-Plug-Fähigkeit nötig ist, sowohl für die Datenübertragung als auch für die Stromversorgung die USB-Schnittstelle zu verwenden, benötigen USB-Hub- und Host-Einheiten einen Schutz vor Schäden beim Anstecken eines Geräts, das beispielsweise durch ein fehlerhaftes Kabel oder einen beschädigten Steckverbinder einen Kurzschluss oder einen sonstigen Fehler aufweist. Die Spezifikationen von USB 1.1 und USB 2.0 fordern einen selbstrückstellenden Überstromschutz an der Schnittstelle und nennen speziell PPTC-Elemente als geeignete Technologie.
USB-Geräte werden eingeteilt in Hubs, die zusätzliche USB-Anschlüsse bereitstellen, und Functions, die dem System bestimmte Funktionen zur Verfügung stellen. Bei den Hubs erfolgt eine weitere Einteilung in busgespeiste Hubs und solche mit eigener Stromversorgung. Preis, Zuverlässigkeit und ein geringer Widerstand sind die wichtigsten Entwurfskriterien für Hosts und Hubs mit eigener Stromversorgung. Die Poly-switch-Elemente von Tyco-Electronics erfüllen diese Anforderungen und eignen sich sowohl für den Schutz mehrerer Ports auf einmal als auch für den individuellen Schutz einzelner Ports.
Ein weiteres Anwendungsgebiet findet sich im Zusammenhang mit den Stellmotoren, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Betätigung bestimmter Funktionen dienen (z.B. Fensterheber oder Sitzverstellung). Da diese Funk-tionen manuell bedient werden, ist nicht auszuschliessen, dass ein solcher Motor auch nach Erreichen seines Endanschlags weiter angesteuert wird. In diesem Fall blockiert der Motor, und seine Gegen-EMK bricht zusammen. Sobald jedoch der Versorgungsspannung keine Gegen-EMK mehr entgegenwirkt, kann der Motorstrom rasch auf das Zwei- bis Vierfache des Nennwerts ansteigen und die Wicklungen zerstören.
Um unzulässig hohe Ströme zu unterbrechen, werden PPTC-Elemente mit den Motorwicklungen in Reihe geschaltet. Steigt der Strom oder die Temperatur einer Wicklung über einen gewissen Grenzwert an, wird das PPTC-Element hochohmig. Der Strom wird dadurch auf einen geringen Wert begrenzt, so dass eine Beschädigung des Motors ausgeschlossen ist.
Überlegungen vor dem Einsatz
Der geringe Widerstand der PPTC-Elemente, ihre kurze Ansprechzeit und ihre geringe Baugröße tragen dazu bei, die Zuverlässigkeit kompakter elektronischer Geräte zu verbessern. Um das bestgeeignete Bauelement für eine bestimmte Applikation zu ermitteln, sollte der Anwender Überlegungen zur Bauform, der entsprechenden Nennspannung, dem richtigen Nennstrom sowie der optimalen Ansprechzeit und der Höhe des maximalen Abschaltstroms anstellen.
Als Bauformen stehen grundsätzlich radial bedrahtete oder oberflächenmontierbare Bauelemente zur Auswahl. Radial bedrahtete Bauteile werden üblicherweise per Schwalllötung auf eine Leiterplatte montiert. Die Befestigung oberflächenmontierbarer Bauelemente erfolgt dagegen in der Regel durch Reflow-Lötung. In einer weiteren Bauform sind die PPTC-Elemente auch als Chip-Ausfertigung erhältlich. Sie sind vor allem für die Befestigung in Halteklammern (meist an Elektromotoren) ausgelegt und werden oft als Sonderanfertigungen für spezielle Anwendungen hergestellt.
Die Nennspannung eines PPTC-Elements sollte mindestens so hoch gewählt werden wie die Betriebsspannung der jeweiligen Schaltung. Auch die zu erwartende Spannung im Störungsfall sollte die Nennspannung des PPTC-Elements nicht überschreiten. Wenn ein PPTC-Element anspricht, fällt an ihm der Großteil der Spannung in dem betreffenden Stromkreis ab, da es den höchsten Widerstand dieses Stromkreises darstellen wird.
Bei der Auswahl des richtigen Nennstroms bei der jeweiligen Betriebstemperatur ist zu beachten, dass der Nennstrom der größte Dauerstrom ist, der das PPTC-Element bei der jeweils spezifizierten Umgebungstemperatur durchfließen darf, ohne dass es anspricht. Da die Funktion des PPTC-Elements auf Wärme beruht, geht der Nennstrom mit zunehmender Umgebungstemperatur zurück. Der Designer muss das PPTC-Element so auswählen, dass der Nennstrom bei der maximalen Umgebungstemperatur mindestens so hoch ist wie der unter regulären Umständen fließende Strom.
Die Ansprechzeiten ihrer Produkte bei verschiedenen Strömen werden von den Herstellern der PPTC-Elemente in präzisen Kennlinien zur Verfügung gestellt. Der Designer muss daher ermitteln, welche Ströme im Störungsfall fließen können und wie schnell empfindliche Sys-tem-Bauteile bei diesen Strömen zerstört werden können. Das PPTC-Element ist daraufhin so zu wählen, dass es früh genug anspricht, um Schäden an diesen empfindlichen Bauteilen zu vermeiden. In vielen Anwendungen ist ferner zu beachten, dass beim Einschalten zunächst ein hoher Stoßstrom durch eine Kapazität oder einen Motor fließt. Im Normalfall enthält dieser Einschalt-Stoßstrom nicht genügend Energie, um das PPTC-Element ansprechen zu lassen. Auf jeden Fall sollte sich der Designer jedoch vom korrekten Verhalten des Bausteins über den erwarteten Umgebungstemperaturbereich überzeugen. Der Einsatz hängt auch vom maximalen Abschaltstrom ab. Das ist der größte Fehlerstrom, den das Bauelement sicher abschalten kann, ohne Schaden zu nehmen.
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