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Sicherheits- und Leistungsverbesserungen Fortschritt bei Draht-in-Luft-Sicherungen

22.10.2018

Während die meisten Automobile eine komfortable Umgebung bieten, ist die Elektronik in Autos den härtesten Umständen ausgesetzt: große Temperaturschwankungen, Schock und Vibrationen, Feuchtigkeit, Wasser und Salz.

Da heutige Fahrzeuge smart und connected werden, benötigt immer mehr Elektronik einen Leiterplattenschutz. Mit dem schnell wachsenden Markt an elektrischen (EV) und hybriden elektrischen (HEV) Fahrzeugen - die meisten mit hochenergetischen Lithiumbatteriesystemen - ist die Forderung nach zuverlässigen Stromkreisschutzvorrichtungen zum Schutz vor katastrophalen Ausfällen groß.

Allerdings sind SMD-Sicherungen nicht gleich SMD-Sicherungen. Und die, die derzeit häufig verwendet werden, können große Nachteile haben. Beispielsweise der traditionelle Ansatz, die schmelzbare Verbindung durch Lötperlen an einem Keramikrohr zu verbinden, hat den Nachteil einer ungleichmäßigen Leistung und eines möglichen internen Verbindungsfehlers, der durch mechanische oder thermische Belastung wie Vibration oder Biegung, aber auch durch übliche Lötfehler verursacht wird. Unter hoher Belastung kann das Lötmittel verdampfen, was zu einer vergrößerten Lichtbogenbildung führt.

Fehlerquelle Lötverbindung

Das kann zu einem Ausfall oder einer Beschädigung der Leiterplatte und der umgebenden Komponenten führen. Glücklicherweise bieten Fortschritte in der Chip- und Draht-in-Luft-Sicherungstechnologie bessere Zuverlässigkeitsergebnisse als herkömmliche Lösungen.

AEM Components kündigt die Verfügbarkeit seiner neuen AEC-Q200 qualifizierten SMD-Sicherungen an, die speziell für den zuverlässigen Betrieb in belastbaren Automobilanwendungen entwickelt wurden. Die neue Draht-in-Luft Sicherung „AirMatrix“ (QA Serie) und die Solid-Body-Sicherung „SolidMatrix“ (QF Serie) werden in einer TS16949-zertifizierten Anlage gefertigt. AEM bietet Automobil-Ingenieuren mit diesen beiden neuen Produktreihen SMD-Sicherungen an, die eine zuverlässige Leistung in Motorsteuerungen und Batterie-Management-Systemen bis hin zu Infotainment- und Kommunikationssystemen gewährleisten.

Draht-in-Luft-Sicherungen

Die AirMatrix Sicherung (QA-Serie) verfügt über die branchenweit höchsten Stromstärken bis 20A / 250V. Die von AEM patentierte, hermetisch abgedichtete Draht-in-Luft-Struktur sorgt für eine gleichbleibende elektrische Performance. Die QF-Solid-Body-Sicherungen mit der AEM-eigenen Anti-Schwefel-Endkappen-Konstruktion sorgen für eine mechanische und thermische Stabilität über einen weiten Temperaturbereich (-55 bis 150 °C).

In diesem Fachbericht wird auf die neuesten Technologien der Draht-in-Luft-Sicherungen eingegangen. Zusätzlich dazu werden Ergebnisse von Simulationstests besprochen, die die wesentlichen Vorteile der Nutzung dieser fortschrittlichen Technologien gegenüber den traditionellen Ansätzen veranschaulichen.

Nachteile der Keramikröhren-Sicherung

Die konventionelle Draht-in-Luft-Sicherung ist bekannt als Keramik-Röhrensicherung oder quadratische Nano-Sicherung. Das schmelzbare Drahtelement ist innerhalb eines Keramikrohres untergebracht und mit den Endkappen durch Lötperlen verbunden. Es gibt mehrere Nachteile, die mit dieser herkömmlichen Draht-in-Luft-Sicherung verbunden sind. Die Ablösung der Endkappen ist ein häufiger Fehler an dieser Konstruktion. Auch besteht ein Mangel an Gleichmäßigkeit in der Leistung aufgrund der Variabilität bei der Anordnung des Drahtelements innerhalb des Keramikrohrs. Im schlimmsten Fall lassen Hochstrom und die damit verbundene Hitze das Lötmittel verdampfen, so dass sich Druck aufbaut und die Sicherung zerbricht oder sich öffnet. Sobald dies geschieht, sinkt die Temperatur, das Lötmittel kondensiert und wird über den Kreislauf zurückgegeben, wo es einen Kurzschluss auslösen kann.

Die Abbildung 2 zeigt zwei herkömmliche Draht-in-Luft-Sicherungen, die einem EV-Kurzschlusszustand ausgesetzt waren. Beispiel A bei 250 V / 250 A und Beispiel B bei 450 V /
450 A zeigen eine starke Beschädigung der Sicherung und außerdem die Kollateralschädigung der umgebenden Schaltkreise. In den Wellenformen zeigte der Stromfluss, dargestellt mit der gelbe Spur, durch die Sicherungen jeweils einen sekundären Stromfluss, der letztlich dann zu einer Beschädigung der Platine führte.

Neuer Technologieansatz: AirMatrix-Sicherung

„Das schmelzbare Element in der AirMatrix, der Draht-in-Luft Sicherung, ist gleichmäßig gerade über den internen Hohlraum und außen an den Endkappen befestigt“, berichtet Jeffers Liu, der AEM Components Vice President für Vertrieb und Marketing.

„Vergleichbare Produkte am Markt verwenden Lötperlen in einem Keramikrohr, um die schmelzbare Verbindung zu verbinden. Dieser traditionelle Ansatz hat den Nachteil einer ungleichmäßigen Leistung und eines möglichen internen Verbindungsfehlers, der durch mechanische oder thermische Belastung wie Vibration oder Biegung, aber auch durch übliche Lötfehler verursacht werden kann. Unter hohen Belastungsbedingungen kann das Lötmittel verdampfen, was zu einer vergrößerten Lichtbogenbildung führt. Dies wiederum kann zu einem Ausfall oder einer Beschädigung der Leiterplatte und der umgebenden Komponenten führen. Im Vergleich dazu sind unsere Automobil-Sicherungen, durch die Beseitigung der Lötverbindung, speziell für die Erhöhung der Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen konzipiert“, erklärt Liu.

Die neue Draht-in-Luft-Sicherung, die AirMatrix, nutzt eine patentierte, hermetisch abgedichtete Draht-in-Luft-Struktur, die eine gleichbleibende elektrische Leistung gewährleistet. Das Sicherungselement in der AirMatrix-Sicherung ist gleichmäßig über den Hohlraum ausgerichtet und außen mit den Endkappen verbunden. Anders als die herkömmliche quadratische Nanosicherung mit dem keramischen Körper und dem Lötverbindungsdesign verwendet die AirMatrix-Sicherung einen glasfaserverstärkten Körper und eine lötfreie Direktverbindung.

Wenn die AirMatrix-Sicherung dem gleichen Stress-Test einer EV-Batterie-Kurzschluss-Simulation wie die herkömmliche Keramik-Röhrensicherung ausgesetzt wird, (in Abbildung 2 beschrieben) wird die fortschrittliche Konstruktion deutlich: Die AirMatrix-Sicherung hält den 450-V/450-A-Bedingungen ohne Auftreten externer Beschädigungen stand.

Zu beachten ist hierbei, wie in den Wellenformen der Stromfluss, gezeigt als gelbe Spur, durch die AirMatrix-Sicherung auf Null sinkt. Die Spannung, zu sehen als grüne Spur, zeigt einen offenen Stromkreis für die AirMatrix-Sicherung ohne sekundäre Leitung. Die QA-Serie wird in zwei fast-acting Versionen angeboten: ein 2410-Gehäuse mit einem 0,5-bis-20-A/
65-bis-250-V-Rating und einem 1206-Gehäuse mit 1,5 bis 15 A /
32 bis 65 V.

Vorteile durch neue Draht-in-Luft-Sicherungen

Automotive-Elektronikingenieure müssen die traditionellen Draht-in-Luft-Sicherungslösungen überdenken, wenn sie ihre Geräte für den AEC-Q200-Standard qualifizieren möchten. Wie die Testergebnisse deutlich zeigen, bieten die Fortschritte bei Draht-in-Luft-Sicherungen gegenüber herkömmlichen Technologien Vorteile bei der Sicherheit. Die AirMatrix-Draht-in-Luft-Sicherungen werden in einer nach TS16949-zertifizierten Anlage hergestellt und sind speziell für den zuverlässigen Betrieb in stark belastbaren Automobilanwendungen konzipiert. Die QA-Serie ist ab sofort auch in hohen Stückzahlen erhältlich. Muster können ebenfalls angefragt werden.

Bildergalerie

  • Die AirMatrix-Draht-in-Luft-
    Sicherung bietet eine lötfreie und Anti-Schwefel-Konstruktion.

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  • Schäden, die sich aus zwei herkömmlichen Keramik-Röhrensicherungen ergeben, die extremen Überlastbedingungen ausgesetzt waren.

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  • Querschnittsansicht einer herkömmlichen Draht-in-Luft-Keramik-Röhrensicherung. Insbesondere die Lötverbindungen sind eine Sicherheitsschwachstelle.

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  • AirMatrix-Sicherung erhält keine Beschädigung nach extremen Überlastbedingungen einer katastrophalen EV-Batterie-Kurzschluss-Simulation.

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  • Die AirMatrix-Draht-in-Luft-Sicherung bietet eine anti-schwefel- und lötfreie Konstruktion.

    Bild: wts

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