In diesem Abschnitt erhalten Sie Hinweise zur Wahl des besten Gerätes für eine Überstromschutzschaltung – PTC oder Sicherung – für Ihre Anwendung.
Häufig ist die Verwendung einer Sicherung oder eines PTCs Geschmackssache. Es gibt jedoch wichtige Erwägungen und alltägliche Anwendungsbereiche, bei denen die Verwendung der einen oder der anderen Methode vorteilhaft sein kann.
So empfiehlt sich bei der Planung von PCs, Peripheriegeräten und tragbaren Geräten (Smartphones, Tablets usw.) die Verwendung von PTCs, da diese selbstrückstellbar sind. Eine Sicherung muss jedes Mal, wenn ein Überstrom auftritt, ersetzt werden. Dies ist unakzeptabel.
In anderen Fällen können Sicherungen die bessere Wahl sein, da sie bei Fehlern den Stromfluss vollständig unterbrechen. Dies ist eher wünschenswert, wenn die Sicherheit oder der Verzicht auf Ausrüstung für nachgeschaltete Stromkreise ein bedeutendes Anliegen sind. Sicherungen sind ebenfalls bei der Fehlerdiagnose hilfreich, da die Entwickler und Anwender mit ihnen den Ursprung von Überstromfehlern leichter finden können.
Überstromschutzschaltung
Der Entwickler eines Stromkreises kann für den Schutz vor Überstrom verschiedene Technologien einsetzen. Die traditionelle Sicherung und das auf Polymer basierende PTC (Positiver Temperatur-Koeffizient)-Gerät sind die am häufigsten eingesetzten Lösungen. Das Verständnis des Unterschieds zwischen diesen beiden Komponenten vereinfacht die Wahl des richtigen Schutzgerätes für eine Anwendung.
Sicherungen werden als „Einmal"-Geräte bezeichnet, da eine Sicherung vor Überspannung schützt, indem sie nur einmal auslöst und dann ersetzt werden muss. Das Kernstück einer typischen Sicherung ist ein Stück Draht, das im Falle eines zu starken Stroms bis zum Schmelzpunkt erhitzt wird. Durch das Schmelzen öffnet sich der Draht und der Stromkreislauf ist unterbrochen.
Ein PTC reagiert ebenfalls auf übermäßig starken Strom, aber dies ist ein „rückstellbares" Gerät. Das auf Polymer basierende Gerät kann mehrmals vor Überstrom schützen, wenn es durch Abschalten der Überspannung wieder zurückgestellt wird. Der Widerstand des leitenden Polymermaterials erhöht sich, wenn es durch die Überlastung erhitzt wird, und erschwert so das Fließen elektrischen Stroms.
PTC-Schutzfunktion
Die Prinzipien der Funktionsweise einer Sicherung sind schon seit Jahren dokumentiert und sind im Allgemeinen gut verständlich. Das genaue Verfahren, das beim PTC zum Überstromschutz verwendet wird, ist nicht ganz so klar und bedarf weiterer Erläuterung. Bisher wurde deutlich, dass eine PTC-Sicherung aus Polymer besteht, die Stromstärke begrenzt und selbstrückstellend ist.
Die hier vorgestellten PTCs sind Produkte auf Basis von leitendem Polymer. Beim verwendeten Polymer-Material dienen Rußpartikel als leitfähiges Medium. Die Höhe des Widerstands ergibt sich aus der Menge der zugefügten Rußpartikel. Das Polymer dehnt sich durch Hitze aus, dadurch verschiebt sich der Ruß. Dies wiederum führt zu einer verringerten Leitfähigkeit oder einem erhöhten Widerstand.
Der PTC beschränkt also einen potenziell gefährlichen Überstrom auf ein sicheres Niveau. Ein übermäßiger Stromfluss durch das Gerät heizt es intern auf (I2R), wodurch die Temperatur des PTCs steigt und sich sein Widerstand erhöht. Der Widerstand des PTCs stellt im Allgemeinen nur einen kleinen Teil des Gesamtwiderstandes dar, bevor es zur Erhitzung kommt. Wie in nachfolgender Grafik dargestellt, erhöht sich der Widerstand eines PTCs auf Polymerbasis nicht linear. Diese überproportionale Steigerung des Widerstands reduziert oder begrenzt den Überstrom auf ein sicheres Niveau. Dieser Übergang von niedrigem zu hohem Widerstand wird auch als Auslösepunkt bezeichnet.
Bei der Hitze, die durch den verringerten Stromfluss infolge des höheren Widerstandes erzeugt wird, bleibt die Temperatur des PTCs so hoch, dass dadurch auch der Widerstand seinen hohen Wert behält. Dieser thermische Beharrungszustand dauert an, bis der Stromkreis abgeschaltet wird. Dann kann der PTC abkühlen und der Widerstand geht zurück. Die Eigenschaft des PTCs der Rückstellbarkeit basiert auf der Tatsache, dass ein durch höhere Temperatur verursachter stärkerer Widerstand rückgängig gemacht werden kann. Der PTC wird zurückgesetzt oder in einen Zustand mit niedrigerem Widerstand versetzt, wenn der Stromkreis unterbrochen wird. Dann kann das Gerät abkühlen. Das Gerät kann dann wieder auf künftige Überlastungen reagieren. Falls die Ursache des Überstroms beseitigt wurde, bleibt der Widerstand niedrig, doch sobald der Überstrom wieder auftritt, schaltet das Gerät zurück in den Zustand höheren Widerstands.
Die Wahl zwischen einem PTC und einer Sicherung
Eine Überstromschutzschaltung ist entweder durch eine herkömmliche Sicherung oder einen modernen rückstellbaren PTC realisierbar. Beide Geräte reagieren auf die Hitze, die durch übermäßigen Stromfluss entsteht. Die Sicherung schmilzt auf und unterbricht so den Stromfluss. Der PTC verändert seinen Zustand von niederohmig auf hochohmig und begrenzt so den Stromfluss. Das Verständnis der Leistungsunterschiede beider Gerätetypen erleichtert die Wahl des besseren Stromkreisschutzes.
Der offensichtlichste Unterschied ist, dass der PTC rückstellbar ist. Die Rückstellung nach einem Überstrom erfolgt generell durch Abschalten der Stromquelle, wodurch sich das Gerät abkühlen kann. Die beiden Produktkategorien unterscheiden sich noch durch weitere differenzierende Betriebseigenschaften. Die Terminologie bei PTCs ähnelt oft der bei Sicherungen, ist aber nicht identisch. In diese Kategorie fallen die beiden Parameter Leckstrom und Unterbrechungsleistung.
Leckstrom: Man spricht davon, dass ein PTC „ausgelöst“ hat, wenn er aufgrund einer Überladung von einem niederohmigen in einen hochohmigen Zustand übergegangen ist. Die Schutzfunktion wird durch Begrenzung des Stromflusses auf ein Leckstromniveau erreicht. Der Leckstrom kann bei Nennspannung eine Stärke von etwa hundert Milliampere haben und bei niedrigerer Spannung von mehreren hundert Milliampere. Die Sicherung andererseits unterbricht den Stromfluss komplett. Dadurch entsteht beim Auftreten des Überstroms ein offener Stromkreis mit „0" Leckstrom.
Unterbrechungsleistung: Der PTC ist auf einen maximalen Kurzschlussstrom bei Nennspannung ausgelegt. Dieses Fehlerstromniveau entspricht dem maximal verträglichen Stromniveau für das Gerät. Der PTC unterbricht jedoch den Stromfluss nicht (siehe oben unter LECKSTROM). Ein typisches Kurzschlussvermögen für einen PTC beträgt 40 A. Sicherungen unterbrechen den Stromfluss als Reaktion auf eine Überladung. Der Bereich der Unterbrechungsleistungen reicht von mehreren hundert Ampere bis zu 10.000 Ampere bei Nennspannung.
Die Parameter des Stromkreislaufs bestimmen auf Grundlage typischer unterschiedlicher Kennzahlen der Geräte die Wahl der Komponente.
Nennspannung: Die Nennspannung von PTCs liegt im Allgemeinen nicht über 60 V, während Sicherungen eine Nennspannung von bis zu 600 V aufweisen. Nennstrom: die Nennspannung des Betriebsstroms für PTCs kann bis zu 11 A betragen, das Maximum für Sicherungen kann 20 A übersteigen.
Temperaturbereich: Eine sinnvolle Obergrenze für PTCs ist im Allgemeinen 85°, während die maximale Betriebstemperatur für Sicherungen 125° C beträgt. Bei beiden Geräten ist bei Temperaturen von mehr als 20° C ein Derating notwendig. Zu diesem Zweck wird eine repräsentative Kurve dargestellt.
Für eine ordnungsgemäße Neubewertung der unterschiedlichen PTC-Baureihen sollten bei Umgebungstemperaturen von mehr als 20° C, die auf den Datenblättern dargestellten PTC-Rerating-Kurven herangezogen werden.
Der Entwickler kann zusätzliche Betriebseigenschaften berücksichtigen, wenn er sich für einen PTC oder eine Sicherung zum Schutz vor Überstrom entscheiden muss.
Erforderliche Zulassungen : PTCs sind unter dem Komponentenprogramm der Underwriters Laboratories nach Inc. UL Thermistor Standard 1434 anerkannt. Die Geräte sind ebenfalls nach dem „CSA Component Acceptance Program" zertifiziert. Außerdem können PTCs nach IECStandard 730-1 (Automatic Electric Controls) mit Zertifizierung durch TÜV, VDE usw. zugelassen werden. Zulassungen für Sicherungen schließen Anerkennung nach dem Component Program of Underwriters Laboratories und eine Zertifizierung vom CSA Component Acceptance Program ein. Zusätzlich sind zahlreiche Sicherungen mit einem vollständigen „Listing" in Übereinstimmung mit der neuen Ergänzung der Norm für Sicherungen UL 248-14 erhältlich.
Widerstand: Eine Überprüfung der Produkteigenschaften ergibt, dass PTCs mit ähnlichen Werten einen etwa doppelt so hohen Widerstand (manchmal mehr) aufweisen wie Sicherungen. Zeit-Strom-Kennlinie: Ein Vergleich der Zeit-Strom-Kennlinien von PTCs und Sicherungen zeigt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit eines PTCs ähnlich der Verzögerungszeit einer Slo-Blo®-Sicherung ist.
Überspannungsschutzanwendungen
Das PTC-Material wird sowohl in einem radial bedrahteten Gehäuse als auch für die Oberflächenmontage geliefert. Die Funktion des rückstellbaren PTCs ist in zahlreichen Anwendungsdesigns verfügbar.
Sowohl die Hauptplatine als auch die zahlreichen Peripheriegeräte zählen zu den Plug-and-Play-Anwendungen, die häufig an die Computerports angeschlossen und wieder getrennt werden. Die Maus, die Tastatur, Audio-, Netzwerk-, Bildschirm- und USB-Ports stehen für potenziell schadhafte Geräte oder für Anschlüsse mit fehlerhaften Kabeln oder mögliche Fehlanschlüsse. Die Möglichkeit eines Neustarts nach der Fehlerkorrektur ist besonders attraktiv. Für einige dieser Anwendungen sind radial bedrahtete Geräte, für andere Anwendungen Geräte mit Oberflächenmontage die bessere Wahl.
Ein PTC schützt Festplatten vor möglicherweise zerstörerischen Überströmen, die durch überhöhte Spannung aufgrund eines Fehlers in der Stromversorgung verursacht werden. Für Festplattenanwendungen verwendet man meistens oberflächenmontierte PTCs.
Netzteile sind anfällig für Schadfunktionen, die in den Stromkreisen auftreten, für die sie den Strom liefern. Ohne Schutz wird das Netzteil versuchen, den aufgrund eines fehlerhaften, niederohmigen Zustandes angeforderten Strom zu liefern. Bei mehreren Lasten oder Stromkreisen schützen individuelle PTCs jeden Ladevorgang. Das Gerät bringt man meistens im Ausgangsstromkreis unter und es kann entweder radial bedrahtet oder an der Oberfläche montiert werden.
Motor-Überströme können durch übermäßige Hitze die Wicklungsisolation beschädigen und bei kleinen Motoren sogar ein Versagen der Wicklungen aus dünnem Draht herbeiführen. Der PTC wird im Allgemeinen bei Anlaufströmen nicht auslösen. Motoren werden im Allgemeinen durch radial bedrahtete PTCs gesichert.
Überströme, hervorgerufen durch Ausfälle des Stromkreises, können Transformatoren beschädigen. Davor kann sie ein PTC schützen, da er die Stromstärke begrenzt. Der PTC wird auf der Lastseite des Transformators platziert und minimiert so die Auswirkungen von Stromkreisausfällen. Unterschiedliche Anwendungen nutzen entweder Geräte, die radial bedrahtet oder an der Oberfläche montiert sind.