Im Folgenden erfahren Sie wichtige Faktoren, die Sie bei der Auswahl Ihrer Sicherung beachten sollten.

Bild: iStock, ChuckSchugPhotography

Elektronik vor Überspannung schützen Die richtige Gerätesicherung auswählen

08.06.2020

Bei der Auswahl der richtigen Geräteschutzsicherung sind eine Reihe von Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Diese können entscheidend für Lebensdauer und Funktion der Sicherung sein und vor ungewollten Ausfallzeiten schützen. Denn der Sicherungseinsatz soll nur im Fehlerfall „rausfliegen“, um die Elektronik vor größeren Schäden zu bewahren.

Geräteschutzsicherungen wie die von Siba schützen elektrische Anlagen, Geräte und Baugruppen vor unzulässig hohen Strombelastungen. Ihr Anwendungsbereich ist vielfältig: Sie kommen zur Absicherung von Netzteilen und Leistungsendstufen zum Einsatz und trennen in industriellen Anwendungen im Fehlerfall defekte Baugruppen von der Spannungsversorgung, um größere Schäden zu vermeiden.

Neben der klassischen zylindrischen Geräteschutzsicherung mit den Abmessungen 5 mm x 20 mm gibt es zudem eine Vielzahl an Sicherungen verschiedener Bauformen und Charakteristiken. Dazu gehören Ausführungen in 5 mm x 25, 5 mm x 30 mm und 6,3 mm x 32 mm sowie viele weitere Größen. Zur Verfügung stehen bedrahtete Sicherungen zur Leiterplattenmontage, Kleinstsicherungen sowie SMD-Sicherungen. Ihre Charakteristiken reichen von superflinken (FF) Sicherungen, unter anderem zum Schutz von Halbleitern oder Messgeräten, bis hin zu superträgen (TT) Sicherungen, die auch bei größeren Einschaltimpulsen oder Anlaufströmen nicht sofort aufgeben.

Zum Einsatz kommen diese Sicherungen bei Kleinstspannungen ebenso wie in Anwendungen, bei denen Spannungen von über 1.000 V sicher abgeschaltet werden müssen – sowohl bei Wechselspannung als auch bei Gleichspannung.

Wichtige Einflussfaktoren

Häufig erfolgt das Auswählen einer Sicherung ausschließlich nach dem Bemessungsstrom, der Bemessungsspannung und Charakteristik. Dabei wird davon ausgegangen, dass der auf der Sicherung angegebene Bemessungsstrom auch dauerhaft über die Sicherung fließen darf.

Das ist jedoch nur sehr selten der Fall. Denn die relevanten Normen gehen bei der Bestimmung des Bemessungsstromes immer von optimalen Bedingungen für die Sicherung aus, also 23 °C Umgebungstemperatur, ungehinderte Wärmeabgabe, kontinuierlich fließender Strom und so weiter.

Einer der wichtigsten Einflussfaktoren für die richtige Wahl der Sicherung ist jedoch die Umgebungstemperatur. Diese hat sowohl Einfluss auf den möglichen Dauerstrom als auch auf das Schmelzintegral der Sicherung. Zudem spielen Einschaltströme und Pulsbelastungen, die über den Bemessungsstrom der Sicherung hinausgehen, eine entscheidende Rolle.

Einfluss der Umgebungstemperatur auf den Bemessungsstrom

Die Funktion der Sicherung basiert im Grunde auf einem sehr einfachen Prinzip. Fließt ein Strom, erwärmt sich der Schmelzleiter im Sicherungseinsatz. Fließen größere Ströme, erwärmt sich der Schmelzleiter so lange, bis letztlich der kleinste Schmelzstrom des Sicherungseinsatzes erreicht und die Temperatur im Schmelzleiter so hoch ist, dass dieser schmilzt und den Stromfluss unterbricht. Das verdeutlicht, dass nicht nur die vom Laststrom erzeugten Temperaturen einen Einfluss auf das Auslöseverhalten haben, sondern auch Umgebungstemperaturen die Belastbarkeit beeinflussen.

Sicherungseinsätze sind also entsprechend der Normvorgaben für eine Umgebungstemperatur von 23 °C ausgelegt. Liegen höhere Umgebungstemperaturen vor, so verringert sich die dauerhaft mögliche Strombelastung. Die im Schmelzleiter entstehende Wärme kann nicht mehr ausreichend abgeführt werden, was zum Auslösen der Sicherung unterhalb des Bemessungsstromes führen kann.

Umgekehrt verhält es sich mit Temperaturen kleiner 23 °C. Hier löst die Sicherung erst bei höheren Strömen aus, da sozusagen von außen gekühlt wird und somit eine bessere Wärmeableitung als unter Normbedingungen besteht. Das Diagramm zeigt, wie sich die Verschiebung des Bemessungsstromes für verschiedene Sicherungen bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ermitteln lässt.

Wird beispielsweise eine träge Sicherung benötigt, über die ein Strom von etwa 1 A bei einer Umgebungstemperatur von 70 °C fließt, so berechnet sich der benötigte Sicherungsbemessungsstrom wie folgt:

Irat = IL / Kf = 1 A / 0,78 = 1,28 A

  • Irat: resultierender Sicherungsbemessungsstrom

  • IL: Laststrom

  • Kf: Korrekturfaktor aus Diagramm

Damit müsste eine Sicherung mit einem Bemessungsstrom von mindestens 1,28 A ausgewählt werden, damit der Laststrom von 1 A auch bei einer Umgebungstemperatur von 70 °C dauerhaft über die Sicherung fließen kann und die Sicherung nicht frühzeitig und ungewollt auslöst. Da der nächste genormte Bemessungsstrom 1,6 A beträgt, ist ein 1,6-A-Sicherungseinsatz erforderlich.

Einfluss der Umgebungstemperatur auf das Schmelzintegral

Die Umgebungstemperatur wirkt sich nicht nur auf den maximalen Dauerstrom der Sicherung aus, sondern mit ihr verändert sich auch das Schmelzintegral. Auch hier gelten die in den gängigen Datenblättern angegebenen Werte für das Schmelzintegral eines Sicherungseinsatzes für normale Raumtemperaturen.

Steigen die Temperaturen in höhere Bereiche, was für Anwendungen in der Elektronik die Regel ist, verringert sich das in den Datenblättern angegebene Schmelzintegral des Sicherungseinsatzes. Liegen die Temperaturen unter 20 °C, ist mit einem erhöhten Schmelzintegral zu rechnen. Die Berechnung des tatsächlichen Schmelzintegrals erfolgt so:

I2ts = I2t x KEU

  • I2ts: tatsächliches Schmelzintegral

  • I2t: Schmelzintegral aus Datenblatt

  • KEU: Korrekturfaktor ermittelt aus Diagramm

In der tatsächlichen Anwendung ist folglich aufgrund der meist erhöhten Umgebungstemperaturen mit einem niedrigeren Schmelzintegral zu rechnen, als die Datenblätter der Sicherungseinsätze darstellen. Dieses korrigierte Schmelzintegral lässt sich für alle weiteren Betrachtungen heranziehen.

Einschaltströme

Der häufigste Grund für das ungewollte Auslösen von Sicherungseinsätzen sind nicht berücksichtigte, oft zeitlich begrenzte Sonderbelastungen, die über den Bemessungsstrom der Sicherung hinausgehen. Dazu zählen häufig Einschaltströme, die teils nur einige Male, meist aber während der gesamten Lebensdauer der Elektronik einige tausend Mal vorkommen. Sie können zu einer ungewollten Überlastung führen, sodass die Sicherung auch im vorgegebenen Normalbetrieb irgendwann sicher auslöst.

Dabei gibt es verschiedene Methoden zur Bewertung von Einschaltströmen. Eine häufig angewandte Prüfmethode, ob die Sicherung den „Inrush“ tragen kann, ist der Vergleich des Einschaltstromes mit der Zeit/Strom-Kennlinie der Sicherung. Hierbei wird die Höhe des Einschaltstromes sowie die Zeit, über die der Strom fließt, in die Kennlinie eingetragen. Damit lässt sich schnell erkennen, ob der Einschaltstrom die Sicherung zum Auslösen bringen wird.

Um jedoch eine Überlastung der Sicherung zu vermeiden, ist ein ausreichender Abstand zwischen Einschaltstrom und tatsächlichem Schmelzstrom der Sicherung erforderlich. Als Richtwert gilt: Der Einschaltstrom sollte maximal circa 60 Prozent des Auslösestromes betragen. Mit der genannten 60-Prozent-Regel ist also eine geeignete Sicherung auszuwählen, die einen Schmelzstrom von 10 A bei 100 ms aufweist – in diesem Beispielfall eine 3,15-A-Sicherung.

Einfluss von Pulsbelastungen

Eine Möglichkeit, um Pulsbelastungen sowie kurzzeitige Einschaltströme richtig zu bewerten, besteht im Vergleich des Last- zu Sicherungs-Schmelzintegrals. Hier wird zunächst der Energieertrag der Belastung in die Sicherung ermittelt. Fehlen dazu entsprechende Daten, lässt sich das über Näherungen durchführen.

Das hier ermittelte Pulsintegral ist mit dem Schmelzintegral der Sicherung aus dem Datenblatt zu vergleichen. Liegt ein solcher Puls nur einmalig oder nur wenige Male über die gesamte Lebensdauer der Elektronik an, reicht ein Schmelzintegral des Sicherungseinsatzes aus, das größer als das ermittelte Pulsintegral ist.

Handelt es sich jedoch um eine häufiger wiederkehrende Belastung, so ist ein ausreichender Abstand zwischen Schmelzintegral der Sicherung und Pulsintegral zu gewährleisten. Je häufiger der Impuls auftritt, desto größer muss der Abstand sein. Je nach Typ der Sicherung, Schmelzleiterlegierungen und Charakteristiken gibt es dabei sehr deutliche Unterschiede bei der Empfindlichkeit gegen Pulslasten. Die dedizierte Berechnung des benötigten Schmelzintegrals der Sicherung in Abhängigkeit der zu erwartenden Anzahl der Pulse erfolgt nach dieser Formel:

I2tsmin = I2tp / Kp

  • I2tsmin: mindestens benötigtes Schmelzintegral des Sicherungseinsatzes aus Datenblatt

  • I2tp: Pulsintegral

  • Kp: Korrekturfaktor des Pulsintegrals

Mithilfe des im Beispiel ermittelten minimal benötigten Schmelzintegrals lässt sich nun eine entsprechen de Sicherung etwa über den Distributor Schukat aus dem Sortiment auswählen, die in der Anwendung nicht ungewollt schon beim Einschalten ausschaltet.

Fazit

Die Auswahl der richtigen Geräteschutzsicherung ist nicht nur eine Frage des dauerhaft fließenden Laststromes, des zu schützenden Gerätes oder Halbleiters. Ebenso wichtig sind die Einflüsse, denen der Sicherungseinsatz ausgesetzt ist, um dessen Lebensdauer nicht schon bei der Auswahl ungewollt zu begrenzen.

Es ist also hilfreich, zu ermitteln, welchen Umgebungstemperaturen der Sicherungseinsatz ausgesetzt sein kann. Liegen im Einschaltmoment besondere Belastungen vor oder treten immer wiederkehrende Anlaufströme auf? Nur so lässt sich nach kurzer Zeit das Problem vermeiden, dass die Sicherung ungewollt schaltet.

Bildergalerie

  • Einfluss der Umgebungstemperatur auf den Bemessungsstrom

    Bild: Schukat

  • Einfluss der Umgebungstemperatur auf das Schmelzintegral

    Bild: Schukat

  • Bewertung des Einschaltstromes: Inrush: 6 A, Dauer: 100 ms

    Bild: Schukat

  • Sicherungsbauformen von Siba

    Bild: Schukat

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