Vom Draht zu "Schmelzleiter"

Die mit dem 19. Jahrhundert einsetzenden Entwicklungen der Elektrotechnik benötigten Drähte mit bis dahin wenig beachteten Eigenschaften. Neben den bisher bekannten Eigenschaften wie Verarbeitbarkeit oder Härte kam besonders seiner Fähigkeit den elektrischen Strom zu leiten eine hohe Bedeutung zu. In der Regel sollte die elektrische Leitfähigkeit eines Drahtes sehr gut sein da der Strom bzw. die umgesetzte Leistung im Draht Wärme erzeugt die den Draht bis zum Schmelzen aufheizen (oder bis zum Glühen bei der Glühlampe) kann.

Diesen Zusammenhang beschreibt man in der Elektrotechnik durch die Formel P=U*I (Leistung = Spannung*Strom) oder P=I2*R (Leistung = Strom2 * Widerstand).

Wobei die Leistung P in Watt angegeben wird. Aus dieser Leistung kann, zusammen mit anderen Materialeigenschaften (Wärmeleitung, Wärmekapazität, Widerstand, Abmessung,…) die Temperatur des Drahtes bei einer bestimmten Strombelastung nach einer bestimmten Zeit errechnet werden.

Da die Schmelztemperatur der Metalle sehr hoch liegen kann (bei Kupfer z.B. 1083°C) kann das wg. der Brandgefahr sehr gefährlich sein besonders wenn das Schmelzen des Drahtes nicht an einer dafür vorgesehenen und vorbereiteten Stelle des geschieht.

Einfach ausgedrückt ist ein "Schmelzleiter" der Teil einer elektrischen Leitung, an dem ein Stromkreis im Fehlerfall durch Schmelzen des Drahtes unterbrochen werden soll. Im allgemeinen Sprachgebrauch also eine "Sollbruchstelle".

Der Schmelzleiter als "Sollbruchstelle"

Sollbruchstellen sind von anderen Anwendungen allgemein bekannt. Die Einkerbung einer Tablette oder einer Tafel Schokolade sind Sollbruchstellen, die es ermöglichen z.B. die Schokolade in definierte Stücke zu teilen. Dabei ist die Breite und Tiefe der Kerbe nicht beliebig. Sie richtet sich u. A. nach der Dicke der Schokolade und der Größe der gewünschten Stücke. Eine zu tiefe Kerbung lässt die Schokolade bereits beim Herausnehmen aus dem Regal „zerbröseln“ und eine zu oberflächliche Kerbe erlaubt es nicht kleine Stücke abzubrechen (beides ist sehr ungesund).

Auch der Schmelzleiter ist nicht einfach ein Stück "dünner" Draht in einer elektrischen Leitung.

Wickmann-Katalog 01/99 – Wickmann Fotoarchiv M.RupallaDamit aus einem bestimmten Abschnitt einer Leitung ein "Schmelzleiter" wird, muss er so gestaltet werden, dass er bei einer vorgegebenen Belastung in einer vorgegebenen Zeit den Strom unterbricht. Diese Vorgaben werden durch das zu schützende Gerät oder durch Normen festgelegt.

In Normen und Datenblättern wird diese Anforderung u. A. grafisch als Ausschalt- oder Zeit-Strom-Kennlinie dargestellt. Aus ihnen kann abgelesen werden, in welcher Zeit eine Sicherung (bzw. der Schmelzleiter der Sicherung) ein Vielfaches des erlaubten Stromes (Nennstrom In) abschalten muss. Dabei werden – hier durch kleine Dreiecke gekennzeichnet - Streubereiche zugelassen. So lässt sich erahnen, dass die Anforderungen an einen Schmelzleiter sehr viel komplexer sind und mit dem Draht einer einfachen „Sollbruchstelle“ nur noch wenig gemein haben.

Hinzu kommt, dass der Schmelzleiter diese Anforderungen mit verschiedenen Formen der Kennlinie (flink, träge,…) in verschiedenen Gehäuseformen realisieren muss. Doch zurück zur „Sollbruchstelle“ aus den ersten Stunden der Elektrotechnik.

Der „dünne Draht“ als offener Schmelzleiter

Ende des 19 und Anfang des 20 Jahrhunderts war die Nutzung der Elektrizität ein Thema das in allen gesellschaftlichen Bereichen allgegenwärtig war. Viele Ingenieure und Physiker experimentierten mit unterschiedlichen Anwendungen, wie z.B. elektrisch betriebene Maschinen für die industrielle und landwirtschaftliche Nutzung, Telegrafie und Beleuchtung. Allgemein bekannt dürften die Erfindungen des Thomas Alva Edisons sein. Besonders die Erfindung der „Glühlampe“, die er 1880 patentieren ließ, wird ihm zugeschrieben (obwohl fast zeitgleich viele andere Erfinder mit Glühlampen experimentierten). Eine Schmelzsicherung stand dabei nicht im Fokus der Experimente. Sie wurde eher nebenher – wahrscheinlich nach einigen „Unfällen“ – entwickelt.

v Draht Anwendungen Schmelzleiter2 Den Versuchsaufbau mit dem Edison (und viele Andere) vermutlich experimentierten kann man sich etwa vorstellen wie in der Skizze links gezeigt.

Edison nutzte Bleistreifen als Schmelzleiter. Ein als Schmelzleiter ausgeführter Hebelschalter wurde als Edison-Bleischalter bekannt. Die Entwicklung der Schmelzleiter (Schmelzsicherung) wurde dem jeweils zu schützenden Verbraucher bzw. Stromkreis vermutlich durch Versuche angepasst. Aus den Versuchen mit verschiedenen Glühmaterialien waren die Material-Eigenschaften vieler Metalle ansatzweise bekannt. Dieser „offene“ Schmelzleiter (=Sicherung) war bis weit in die 30er Jahre des 20. Jahrhunderts gebräuchlich. Allerdings wurde mit zunehmender Anzahl elektrischer Verbraucher die Entwicklung von Schmelzleitern von speziellen Firmen übernommen (in Deutschland z.B. 1906 durch die Firma Pudenz und 1918 durch die Firma Wickmann).
Die folgenden Bilder zeigen zwei der üblichen Ausführungen:

Wickmann-Katalog 1931 – Wickmann Fotoarchiv M.Rupalla)Wickmann-Katalog 1931 – Wickmann Fotoarchiv M.Rupalla

Die schnell fortschreitende Entwicklung in der Elektrotechnik brachte immer mehr Anwendungen unterschiedlicher Art hervor. Um der Elektrizität das Geheimnisvolle zu nehmen, organisierte im Jahr 1911 der VDE eine Ausstellung „Elektrizität im Hause“. Scheinbar mit Erfolg: im Jahr 1914 hatten bereits ca. 5,5% der Haushalte in Berlin einen Stromanschluss.

Wickmann-„Technologie der Geräteschutz-Sicherungseinsätze“, 06/1994 – Wickmann Fotoarchiv M.RupallaDie Zahl benötigter, unterschiedlicher Sicherungen in verschiedenen Formen nahm stetig zu. Die notwendigen Schmelzleiter mussten diesen neuen Anforderungen ständig angepasst werden.
Viele Geräte benötigten im Einschaltaugenblick einen sehr viel höheren Strom als im Dauerbetrieb (eine Glühlampe z.B. benötigt beim Einschalten für kurze Zeit – ca. 0,01s) etwa 10 bis 15mal mehr Strom als im Dauerbetrieb) .

Die benötigten Schmelzleiter mussten daher eine „träge“ It-Kennlinie aufweisen. Bei gleichem Dauer- bzw. Nennstrom wurden also je nach Schmelzleiter unterschiedliche Schmelzzeiten bei einem hohen Einschaltstrom oder Kurzschluss erwartet.

So wurden hohe Einschaltströme überstanden ohne den Schutz vor kleineren Überlastströmen
zu verlieren. Für die Entwicklung der Schmelzleiter bedeutete das, dass einfache, dünne Drähte häufig nicht mehr ausreichten.
Bereits 1883 hatte Sir P. Thompson die Idee den hohen Widerstand eines Eisendrahtes zu benutzen um mit rel. kleinen Strömen eine definiert Wärme in den Zuleitungsdrähten zu erzeugen die dann eine Lotverbindung des Schmelzleiters aufschmolzen um so den Stromkreis zu unterbrechen. Im Jahr 1983 verbesserte H.H. Cunyngham den Schmelzleiter in dem er die Federkraft des Eisendrahtes nutzte.

Zeichnung der von Thompson / Boys und Cunyngham entwickelten Sicherung („Eine kleine Geschichte der Gerätesicherung“, M.Rupalla 2013)images/draht/anwendungen/vorschau/v_Draht_-_Anwendungen_-_Schmelzleiter6.jpg

(„Zur Theorie der Abschmelzsicherung“, Georg J. Meyer 1906)Um verschiedene „Kennlinien“ zu kombinieren experimentierte G.J. Meyer 1906 mit komplizierten, aufwendigen Schmelzleiterkombinationen:

Auch wenn Meyer hier bereits von einer „Sicherung“ berichtet zeigt das Bild, auch nach heutiger Definition, einen Schmelzleiter. Allerdings war G.J. Meyer einer der ersten Forscher der, der Trennung von Geräte- und Sicherungsentwicklung folgend, umfangreiche Untersuchungen durchführte um Schmelzleiter zu berechnen. Die von ihm aufgestellten Theorien bezogen sich auf Materialien wie Zinn, Blei, Kupfer, Zink, Silber, Aluminium sowie auf Kombinationen dieser Metalle (Manteldrähte und Legierungen).

Der Schmelzleiter wird zur Sicherung

Diese und weitere Arbeiten anderer Forscher zur Theorie der Schmelzleiter waren dringend notwendig. Während offene Schmelzleiter viel Platz benötigten und auch hatten (i.d.R. wurden sie extern z.B. in Stromverteilungen eingesetzt) wurden in Geräten kleine, gekapselte Schmelzleiter verlangt.

(„Eine kleine Geschichte der Gerätesicherung“, M.Rupalla 2013)Im Jahr 1890 wurde ein Patent des Entwicklers G. Mordey veröffentlicht. Es zeigt eine Sicherung (cartridge fuse) in einem Rohr aus Glas, das mit metallischen Kappen verschlossen war.

Der Vorteil war, dass kein flüssiges Metall des Schmelzleiters unkontrolliert in der Umgebung verteilt wurde und dass eine Füllung des Rohres mit lichtbogenlöschenden Materialien (z.B. Sand) möglich war. Letzteres verbesserte das Abschaltverhalten besonders bei höheren Spannungen erheblich. Nachteilig aber ist, dass die bisher bekannten offenen Schmelzleiter in solche Rohre wg. der geringen Abmessungen nicht eingebaut werden konnten. Es mussten neue Schmelzleiter entwickelt werden die nicht nur kleiner waren sondern, bei gleicher Funktion, die geänderten Wärmeverhältnisse ( z.B. die deutlich höhere Wärmeableitung durch Füllung und Rohr) berücksichtigten. Das war besonders bei trägen Schmelzleitern nicht einfach.

Nach einigen, recht komplizierten Konstruktionen entstanden Schmelzleiter-Typen die aber z.T. heute noch gebräuchlich sind.

„ELECTRIC FUSES“, H.W. Baxter, London 1950, S.38 (Wickmann-Katalog 1938 – Wickmann Fotoarchiv M. Rupalla)„ELECTRIC FUSES“, H.W. Baxter, London 1950, S.38 (Wickmann-Katalog 1938 – Wickmann Fotoarchiv M. Rupalla)

Dem Erfindungsreichtum der Entwickler waren kaum Grenzen gesetzt, so dass bis heute eine Vielzahl verschiedener Konstruktionen entstand. Alle hatten aber einen Nachteil: Die Montage in kleine Gehäuse war schwierig und oft nicht machbar!

Erst die Nutzung des M-Effektes machte rel. einfache Schmelzleiter-Konstruktion möglich. Der M-Effekt wurde erstmals 1939 in einem Artikel des engl. „Beama- Journals“ erwähnt. Bezogen auf die Entwicklung von Schmelzleitern beschreibt der (aus der Chemie bekannte) „M-Effekt“ u.A. die Fähigkeit von flüssigem Zinn (oder Zinn-Blei- Lot) Kupfer oder Silber aufzulösen. Zusammen mit der Nutzung der, bei allen Temperaturen gegebenen, Diffusion der Metalle gelang es völlig neue Schmelzleiter zu entwickeln.

Der gewickelte „Schmelzleiterdraht“ wurde ursprünglich mit mit Lot oder Zinn Perlen versehen. Später wurde eine durchgängige Zinn oder Zinn-/Blei-Schicht galvanisch aufgetragen und, zur Auslegung von kleinen Stromstufen, gewickelt.
Patent US3858142 A, G. Deelman, Firma Olvis, 1974

Um diese Technik der Entwicklung und Herstellung von Schmelzleitern zu beherrschen müssen alle Materialien in ihren Eigenschaften, ihrer Menge und ihrer Verarbeitung für die jeweilig vorgegebene Verwendung optimal aufeinander abgestimmt sein.

Schmelzleiter aktueller Entwicklungen

Immer kleiner werdende Geräte benötigen immer kleinere Sicherungen, und diese wiederum immer kleinere Schmelzleiter. Seit etwa 1986 werden Sicherungen ohne Halter direkt auf die Platine der Elektronik gelötet. Dabei wurden zwar geltende Normen entsprechend angepasst aber die Anforderungen der Schutzfunktion muss erhalten bzw. erreicht werden.

v Draht Anwendungen Schmelzleiter12Das Bild zeigt eine u. A. von der Firma Elschukom entwickelte Miniatursicherung, die direkt auf die Elektronikplatine gelötet wird (SMD=surface mount device). Auf den ersten Blick sieht der Betrachter vielleicht nur eine einfache Drahtspirale oder Drahtfeder.

v Draht Anwendungen Schmelzleiter13Allerdings ist die Sicherung nur 6,1mm lang und der Draht ist ein Schmelzleiter der verschiedene Materialien kombiniert und der auf eine bestimmte Weise gewickelt wurde. Nur so sind die hohen Anforderungen zu erfüllen, die einen sicheren Schutz bieten. Um entsprechende Schmelzleiter - ob flink, träge oder für Sonderbauformen – zu entwickeln ist daher eine gute Kenntnis der Eigenschaften verwendeter und neuer Materialien notwendig. Die Untersuchung dieser Eigenschaften, ihre gegenseitige Beeinflussung und ihre Auswirkung auf die Funktion moderner Sicherungen stellt daher eine große Herausforderung für Unternehmen und Entwickler der Schmelzleiter dar.