PPTC-Bausteine schützen Elektromotoren, Steuerungen und Transformatoren

Viele Schaltungsschutz-Techniken sind vor allem für den Schutz elektronischer Schaltungen vor Überstrom- und Übertemperatur-Schäden ausgelegt. Diese wurden bisher durch eine Sicherung oder eine austauschbare Verbindung geschützt.

In vielen heutigen Anwendungen sind rücksetzbare Bausteine wie PPTC-Komponenten, CPTC-Elemente (Ceramic Positive Temperature Coefficient) und Bimetall-Schalter die bevorzugte Lösung. Solche Bausteine bieten Schutz gegen Schäden, die bei elektrischen Kurzschlüssen, Schaltungs-Überlastungen oder Bedienerfehlern auftreten. Die Tabelle zeigt die Reset-Funktionen und Schaltungs-Zustände der gängigsten Bausteine.

Zusammensetzung und Aufbau der Schaltungsschutzbausteine

PPTC-Schaltungsschutzbausteine bestehen aus einem Komposit-Material, zusammengesetzt aus halbkristallinen Polymeren und leitenden Partikeln. Die leitenden Partikel bilden bei normalen Temperaturen niederohmige Netzwerke im Polymer. Bei einem Anstieg der Temperatur im Baustein auf Grund eines hohen Durchgangsstroms oder einer Erwärmung der Umgebung über die Schalttemperatur ( TS) gehen die Kristalline im Polymer in eine amorphe Anordnung über.

Wegen des erhöhten Volumens werden die leitenden Partikel voneinander getrennt. Dies führt zu einer großen, nichtlinearen Zunahme des Bauteil-Widerstands. In so einem Fall nimmt der Bauteilwiderstand meist um mehrere Zehnerpotenzen zu. Dieser höhere Widerstand schützt die Geräte im Schaltkreis durch eine Absenkung des Stroms im Fehlerzustand auf einen niedrigen, stationären Wert.

Der Baustein bleibt in seinem verriegelten (hochohmigen) Zustand, bis der Fehler behoben und die Spannung am Schaltkreis aus- und wieder eingeschaltet wird. Wenn dies geschieht, kühlt sich das leitende Komposit-Material ab und kristallisiert wieder aus. So kann der PPTC-Baustein in der Schaltung wieder in einen niederohmigen Zustand übergehen und die betroffenen Geräte können wieder normal arbeiten.

Bimetallschalter haben keine Verriegelungsfunktion

Bimetallschalter werden zwar oft zum Schutz von Elektromotoren eingesetzt, sie besitzen aber keine Verriegelungsfunktion und erfordern zusätzliche Eingriffe für die Unterbrechung ihrer Ein/Aus-Zyklen. Der Bimetallstreifen besteht aus zwei verschiedenen, miteinander verschweißten Metallen.

Bei Überschreitung des Bimetallnennstroms verbiegt sich der Bimetallstreifen durch die erzeugte Wärme und öffnet einen Kontaktsatz, wodurch der Strom unterbrochen wird. Weil nun kein Strom fließt, kehrt der Baustein in seine normale Form zurück und schließt die Kontakte. Damit fließt der Strom wieder. Bei einer Motorblockade wird der Bimetallschalter so lange ein- und ausschalten, bis die Spannung abgeschaltet wird.

Das zyklische Verhalten des Bimetallschalters hat eine Reihe von Nachteilen. Diese sind unter anderem die Materialermüdung und die Tendenz zur Verbrennung und Verschweißung von Kontakten sowie der Funkenschlag. Fällt der Baustein bei geschlossenen Kontakten aus, so kann dies als Folge eines Überstrom-Ereignisses Schäden am Motor sowie an empfindlichen angeschlossenen elektronischen Schaltungen verursachen. Mögliche Störungen oder „Kontakt-Prellen“ sowie elektromagnetische Störungen zeigen die Kompatibilitätsprobleme der Bimetallschalter zu modernen elektronischen Steuerungssystemen auf.

Tyco Electronics hat in einer Test-reihe die thermischen und elektrischen Kenndaten eines gängigen Bimetall-Übertemperaturschutzes mit denen des Polyswitch-LVR-Bausteins verglichen. Dabei sind beide Bausteine an einen Kühlanlagen-Motor angebaut worden. Die Schutzbausteine wurden an die Motorwicklung angeschlossen, die Motorwelle während des Tests blockiert.

Sodann zeichnete man Spannung, Strom, Windungs- und Kerntemperaturen sowie die Temperatur des PPTC-Bausteins und der Bimetallschutzschaltung auf.In dem Test mit einem Bimetallunterbrecher erreichte die Motorwicklung nach 60 min eine Temperatur von etwa 129 °C – wesentlich höher als bei dem Test mit dem PPTC-Schutzbaustein. Dort erreichte die Motorwicklung im selben Zeitraum eine Temperatur von 44 °C.

Schutz für die intermittierend arbeitende Motoren

Intermittierend arbeitende Motoren sind in der Regel nur für einen Betrieb über eine begrenzte Zeit ausgelegt. Betreibt man solche Motoren länger als zulässig, kann es zu Blockaden, Überhitzungen und im Extremfall zum Totalausfall kommen. Fehlerzustände treten auf, wenn die Spannung auf Grund eines Kontakt- oder Bedienerfehlers eingeschaltet bleibt.

Um eine Überhitzung zu vermeiden, muss der Schaltungsschutz-Baustein schnell auslösen – jedoch nicht schneller als beabsichtigt –, um den Benutzer nicht unnötig zu stören. Die Entwicklung von Schutzkonzepten, die einen Motor effektiv und ohne falsche Auslösungen schützen, ist allerdings nicht ganz trivial.

Oft verursachen Einschaltstromstöße bei bestimmten elektrischen Komponenten im Umfeld von motorisierten Anlagen eine fehlerhafte Auslösung. Der entscheidende Vorteil beim Einsatz eines PPTC-Bausteins besteht darin, dass er sich mit einem Auslösestrom erheblich unter dem normalen Betriebsstrom des Motors, dafür aber mit einer Auslösezeit, spezifizieren lässt. Die Auslösezeit ist um ein Mehrfaches länger als ein kompletter System-Betriebszyklus. Dies hilft, fehlerhafte Auslösungen zu vermeiden.

In einer Motorschaltung dient ein PPTC-Baustein als Schutz gegen Schäden durch Überstrom- oder Übertemperatur-Ereignisse. Befindet sich der Baustein innerhalb des Motorgehäuses, so kann er nicht nur auf den durch den Motor fließenden Strom, sondern auch auf sämtliche Temperaturanstiege reagieren, die bei einem Fehlerzustand auftreten können.

PPTC-Baustein dient als Schutz einer Industriesteuerung

Bisher wurden Einmalsicherungen zum Schutz von elektronischen Schaltungen vor Überstromschäden genutzt. Bei einem solchen Einsatz brennt die Sicherung durch, sobald wegen eines Verdrahtungsfehlers oder eines Komponentenausfalls übergroße Ströme fließen. Die elektrische Verbindung wird dabei unterbrochen, so dass sich der Schaden nicht weiter ausbreiten kann und kein Feuer entsteht.

Problematisch bei dieser Technik ist, dass ein Fehler in einer Systemkomponente andere Komponenten im System oder dahinterliegende lahmlegen kann. Wenn dies passiert, muss die Sicherung an allen betroffenen Komponenten ausgetauscht werden, bevor das System wieder in Betrieb gehen kann. Wird im Vergleich dazu die rücksetzbare Stromtechnik genutzt, lassen sich die Auswirkungen eines Fehlers auf das System minimieren, die Anzahl der betroffenen Systemkomponenten verringern und die Reparaturzeit verkürzen.

In vielen industriellen Steuerungsanwendungen lässt sich durch den Einbau von PPTC-Bausteinen an kritischen Schnittstellen das gleiche Maß an Überstromschutz ermöglichen wie mit Einmalsicherungen. Kommt es im System zu Überströmen aufgrund externer Fehler, müssen allerdings keine Sicherungen mehr ausgetauscht oder andere Wartungsarbeiten ausgeführt werden.

Durch den Einsatz von PPTC-Bausteinen profitieren nicht nur die Controller und alle dezentral installierten Sensoren, Anzeigen oder Aktoren, die eine Stromversorgung und eine analoge oder eine Datenbusschnittstelle benötigen, sondern alle daran angeschlossenen Systemkomponenten, die sonst durch Verdrahtungsfehler, Verpolung oder lose Nullleiter-Anschlüsse an Netzsteckern beschädigt werden könnten.

PPTC-Bausteine der neuen Generation eignen sich für den Einsatz in den unterschiedlichsten Kfz-, Geräte-, Computer-, Telekommunikations- und Konsumelektronik-Designs. Dank ihres niedrigen Durchgangswiderstands, ihrer schnellen Auslösezeit, ihrer geringeren Bauhöhe und ihrer rücksetzbaren Funktionen können Schaltungsentwickler mit diesen Bausteinen Produkte mit besserer Sicherheit und höherer Zuverlässigkeit herstellen.

Außerdem erfüllen sie behördliche Auflagen und vermindern die Kosten von Garantiereparaturen. PPTC-Bausteine erfüllen die Bestimmungen der Norm UL 1434, sind CSA- und TÜV-zertifiziert, ROHS-konform und eignen sich für den Einsatz mit bleifrei-em Lot sowie Großserien-Bestückungsprozess.

Faraz Hasan ist Mitarbeiter im Bereich Industrieelektronik und Geräte bei Tyco Electronics, Abteilung Raychem-Schaltungsschutz-Produkte in Menlo Park/USA.