Was schützt Ihr Gerät zuverlässig?

Die Stromversorgung ist die Basis für Zuverlässigkeit des von ihr versorgten Systems. Welche Fallstricke schon bei der Auswahl einer simplen Geräteschutzsicherung lauern, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Die Geräteschutzsicherung (GS), auch Feinsicherung genannt, ist das auffälligste Schutzelement in elektronischen Geräten. Wegen ihrer Position am Anfang des Stromkreises wird sie meist mit dem Kürzel „F1” bezeichnet. Ihre Aufgabe ist es, im Fehlerfall die Energiezufuhr sofort zu unterbrechen, bevor es zu größeren Schäden oder gar zu einem Brand kommt.
Bei einfachen Netzteilen übernimmt meist eine klassische Schmelzsicherung die Schutzaufgabe. Sie besteht aus einem Schmelzleiter, den ihn umhüllenden Isolierkörper aus Glas, Keramik oder Kunststoff und einer Füllung aus Luft oder Quarzsand. Durch den durchfließenden Strom erwärmt sich der Schmelzleiter und schmilzt, wenn sein Bemessungs- oder Nennstrom für eine gewisse Zeitspanne überschritten wird. Bei sehr hohen Bemessungsströmen verhindert eine Füllung mit Quarzsand das Entstehen von Lichtbögen.

Das Verhalten einer Schmelzsicherung wird im Wesentlichen durch die sechs Kenngrößen Nennspannung, Nennstrom, Auslösecharakteristik, Ausschaltvermögen, Schmelzintegral und Impulsfestigkeit bestimmt. Um eine zuverlässige und vor allem langlebige Funktion zu gewährleisten, müssen diese Parameter entsprechend dem Einsatzzweck möglichst genau aufeinander abgestimmt sein. Informationen hierzu sind den Datenblättern der Hersteller zu entnehmen.
Die Nennspannung bestimmt den Einsatzbereich der Sicherung. Geräteschutzsicherung werden in der Regel in Niederspannungsnetzen mit Wechselstrom, dem üblichen Haushaltsstromnetz, eingesetzt. Die üblichen Kleinsicherungen sind für den Betrieb bis 250 VDC ausgelegt.

Der Nennstrom legt fest, bei welcher Belastung der Schmelzleiter gesichert noch nicht durchbrennen soll. Jedoch gilt diese Angabe nur unter idealen Bedingungen: Für eine Umgebungstemperatur von üblicherweise 25 °C, bei ungehinderter Wärmeabfuhr und einem kontinuierlichen Stromfluss. In der Praxis ist die reale Umgebungstemperatur nicht sicher vorhersehbar. Meist liegt die Betriebstemperatur weit höher als die 25 °C. Auch die Wärmeableitung ist nach längerem Einsatz, etwa durch isolierende Staubablagerungen nicht immer optimal. Hinzu kommt noch die Erwärmung durch den Widerstand des Schmelzleiters, wobei sich flinke Sicherungen wegen des geringeren Leitungsquerschnitts mehr erwärmen als träge. Unter solchen Bedingungen kann eine Schmelzsicherung daher unterhalb ihres Nennstroms auslösen. Beim Einsatz in deutlich kälterer Umgebung, beispielsweise in großer Höhe oder in Kühlkammern, kann dagegen der umgekehrte Fall eintreten. Die Schmelzsicherung hält, obwohl ihr Nennstrom schon deutlich überschritten ist.

Der Nennstrom muss daher auch mit Rücksicht auf die geplanten Einsatzbedingungen ausgewählt werden. Auskunft über das Verhältnis von Nennstrom zu Umgebungstemperatur gibt die Derating-Kurve des jeweiligen Sicherungstyps. Wobei aber auch unterschiedliche Normen zu beachten sind. Sicherungen gemäß IEC60127 dürfen mit 100 Prozent ihres Nennstroms betrieben werden. Sicherungen gemäß UL248-14 nur mit 75 Prozent.

Der Nennstrom ist keine starre Grenze bei deren minimaler Überschreitung der Schmelzleiter augenblicklich durchbrennt. In der Praxis ist eine gewisse Toleranz und Verzögerung erwünscht, damit nicht jeder kurze Stromimpuls zum Totalausfall führt. Gemäß ihrer Auslösecharakteristik werden Geräteschutzsicherungen in fünf Trägheitsklassen, von FF (superflink), F (flink), M (mittelträge), T (träge) bis TT (superträge) eingeteilt. Beispielsweise brennen superflinke Sicherungen bei Belastung mit dem zehnfachen Nennstrom in weniger als zehn Millisekunden durch. Bei superträgen Feinsicherungen kann es dagegen bis zu drei Sekunden dauern.
Im Falle eines Kurzschlusses soll die Geräteschutzsicherung sicher auslösen, ohne dass dabei der Isolierkörper platzt oder ein dauerhafter Lichtbogen weiteren Schaden anrichtet. Das Ausschaltvermögen beschreibt daher den maximal zu erwarteten Kurzschlussstrom, den die gewählte Sicherung noch kontrolliert unterbrechen kann. Dieses hängt sowohl von der Betriebsspannung wie auch der Art des Stroms ab und sinkt mit zunehmender Betriebsspannung und sinkender Wechselstromfrequenz. Daher ist der erlaubte Kurzschlussstrom bei Gleichspannung niedriger als bei Wechselspannung. So können zwar Schmelzsicherungen für Gleichstrom auch für Wechselstrom verwendet werden, aber nicht automatisch umgekehrt. Gemäß ihres Ausschaltvermögens werden Sicherungen in die Klassen L (niedrig), E (erhöht) oder H (hoch) eingeteilt. Schmelzsicherungen der Klasse L können bei 250 VAC das zehnfache ihres Nennstroms noch sicher beherrschen, H-Sicherungen verkraften sogar mindestens 1.500 A.

Sind in einer elektrischen Schaltung größere Kapazitäten im Spiel, etwa ein Glättungskondensator am Brückengleichrichter, entstehen beim Ein- wie auch Ausschalten für Millisekunden erhebliche Impulsströme, die deutlich über dem eigentlich zulässigen Nennstrom liegen. Die dabei freiwerdende Energie wird durch das sogenannte Schmelzintegral beschrieben. Es ist die Integration des Quadrates des elektrischen Stroms über die Zeit und wird daher auch als I²t-Wert bezeichnet. Für eine konkrete Einschaltstromspitze (Ip) lässt sich das Schmelzintegral überschlägig gemäß der Annäherungs-Formel: I²t(Anwendung) = 0,5 . Ip²t berechnen. Angaben zum Schmelzintegral finden sich in den Datenblättern der jeweiligen Sicherungen. Allgemein haben träge Sicherungen ein höheres Schmelzintegral als die flinken Varianten. Auch dabei ist wieder zu berücksichtigen, dass vom Normalzustand abweichende Betriebsbedingungen das Schmelzintegral negativ oder positiv beeinflussen.

Die auftretenden Energieimpulse beim Ein- und Ausschalten stressen die Sicherung und beschleunigen ihre Alterung. Auch die Auslösecharakteristik spielt dabei eine Rolle. Um ein hohes Schmelzintegral zu erreichen sind die Leiter träger Sicherungen in der Regel verzinnt. Dieses Zinn diffundiert mit der Zeit in den Schmelzdraht und verändert so dessen Zeit-Strom-Charakteristik. Flinke Feinsicherungen sind in dieser Hinsicht stabiler. Beide Faktoren müssen bei der Berechnung des geforderten Schmelzintegrals berücksichtigt werden: I²t(Sicherung) ≥ I²t(Anwendung)/F. Den Korrekturquotienten F geben die Her- steller in den Datenblättern der Schmelzsicherungen an. Zum Beispiel ist der Korrekturquotipulse bei einer trägen Sicherung F= 0,29, während er bei einer flinken Sicherung bei F=0,49 liegt. Im ersten Fall erhöht sich so das geforderte Schmelzintegral um das 3,5-fache, während es im zweiten Fall nur um etwa das Zweifache steigt (1/0,49).

Neben der klassischen Schmelzdrahtsicherung im Glaszylinder mit Schraub- oder Einsteckfassung gibt es dieses Sicherheitsbauteil auch zum direkten Einlöten in die Leiterplatte, in Kleinstausführung auch für die SMD-Montage.
Schmelzsicherungen haben einen sehr geringen Widerstand. Sie sollten daher auf keinen Fall durch so genannte Sicherungswiderstände ersetzt werden. Diese reagieren wesentlich träger und haben die fatale Eigenschaft, bei geringer Überlast nicht sofort durchzubrennen, sondern sich stark zu erwärmen oder zu glühen. Dadurch können in der Nähe befindliche Bauteile geschädigt werden, oder sich gar brennbare Stoffe wie Staubablagerungen entzünden. Aus diesem Grund verbietet es sich auch, die Leiterbahn selbst durch entsprechende Dimensionierung als Sicherungselement einzusetzen.

Wie wir gesehen haben, reicht der Schaltplan allein bei weitem nicht aus, um ein Netzteil zu konstruieren, das mehr als ein paar Einschaltzyklen übersteht. Erst wenn jahrzehntelange Erfahrung und eine Leidenschaft zur Optimierung von Qualität und Langlebigkeit hinzukommen, entstehen daraus Geräte, die auch unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen über viele Jahre zuverlässig ihren Dienst verrichten.
Diesen Standards hat sich die inpotron Schaltnetzteile GmbH seit ihrer Gründung verschrieben. Ihre Ingenieure unterstützen die Kunden bei der Entwicklung und Auswahl des für Ihre Bedürfnisse optimalen Netzteils. Ein durchdachtes Design stellt sicher, dass ein Netzteil auch nach Jahren noch so erhältlich ist, wie es zu Anfang konzipiert wurde.