„Die meisten Brände verursachen nach Angaben der Feuerwehr Fehler in elektrischen Anlagen und Geräten oder leichtsinniger Umgang mit elektrischen Haushaltsgeräten. Aber in jüngster Zeit lösen auch immer wieder neue Geräte, die mit einer Elektronik ausgestattet sind wie Ladegeräte für Handys, Stromsparlampen, PC und so fort Brände aus (vergleiche auch WISO 13. März 2006).

Aus“Risiko Wohnungsbrand“ – Infoschrift „Feuerwehr und Rettungsdienst Landeshauptstadt Düsseldorf“

Die meisten Brände entstehen vermutlich nicht durch Kurzschlüsse oder explodierenden Bauteile sondern durch Staub und/oder Staubflocken (sog. „Wollmäuse“ ), die sich je nach Zusammensetzung und Konsistenz bereits bei Temperaturen ab ca. 120°C entzünden können. Diese Temperaturen werden bei Sicherungswiderständen unter Überlastbedingungen leicht erreicht. In Laborversuchen wurden im Fehlerfalle an Sicherungswiderständen Temperaturen von über 300°C gemessen. Auch wenn diese Belastungsbedingungen nicht die Regel sind, verhalten sich Sicherungswiderstände mit „echter Sicherungsfunktion“ im Fehlerfall wesentlich moderater. Das folgende Beispiel mit Überlegungen zu Möglichkeiten der Realisierung von Widerständen mit echter Sicherungsfunktion stammt aus der Geschichte der Wickmann-Werke. Ein Bauteil mit dem Arbeitstitel „RCP“ (Resistor Current Protector) war das letzte Projekt in einer langen Reihe von Entwicklungen auf dem Gebiet der Sicherungswiderstände. Wie seine Vorgänger (z.B. der „Schaltwiderstand 19910“ aus dem Jahr 1983) ist der RCP in Schichttechnik realisiert und in dieser Ausführung auch durch Patente geschützt. Der folgende Entwurf (der in der vorliegenden Form veröffentlicht wurde) einer Informationsschrift fokussiert zwar nur einen Teilbereich der Anwendungen für Sicherungswiderstände, aber mit Sicherheit den Bereich der Entwickler „schlecht schlafen lässt“. So sah das zumindest der Entwicklungsleiter einer großen deutschen Elektronikfirma.

Strombegrenzung und Überstromschutz bei Kondensatoren

Die maximale Belastbarkeit von Kondensatoren wird im Wesentlichen von der Spannung, der Frequenz und dem Strom (Pulsstrom) bestimmt. In einer Vielzahl von Anwendungen werden Kondensatoren gemeinsam mit Vorwiderständen eingesetzt. Die Aufgabe dieser Widerstände besteht darin, pulsförmige Lade- und Entladeströme oder einen möglichen, ungewollt hohen Fehlerstrom auf ein verträgliches Maximum zu begrenzen. Während Lade- und Entladevorgänge zum Normalbetrieb einer Kondensator- Widerstandskombination gehören, können Fehlerströme zu einer hohen Dauerbelastung des Widerstandes führen und ihn letztlich zerstören. Der mögliche Fehlerfall kann dabei durch die der RC-Kombination folgende Schaltung verursacht werden oder durch den Kondensator selbst. Während mögliche Schäden durch Fehlerströme in der nachfolgenden Elektronik häufig schaltungstechnisch begrenzt werden, ist die alterungsbedingte Erhöhung des Kondensatorleckstromes bis hin zur Überlastung der vorgeschalteten Bauelemente kaum vorhersehbar. Die Alterung eines Kondensators wird im Wesentlichen von der Spannung, dem Strom (Pulsanstiegszeit) und der Frequenz bestimmt. Die Wirkungen dieser Faktoren sind wiederum stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Bereits bei Temperaturen von ca. 60 °C steigt der Verlustfaktor tan an und die Spannungsfestigkeit nimmt ab. In der Literatur findet sich als Aussage zur Lebensdauer von Kondensatoren die maximale Beanspruchungsdauer B (Summe aus Lager-, Betriebs- und Pausenzeiten). Die folgende Grafik zeigt die Beanspruchungsdauer für Elektrolytkondensatoren in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Das Diagramm zeigt eine deutliche Reduzierung der Beanspruchungsdauer bei Temperaturen über 60 °C.

Sicherungen Geschichte Sicherungswiderstände1

Wird durch nicht vorhersehbare Betriebsbedingungen die maximale Lebensdauer eines Kondensators vorzeitig erreicht, können sich langsam Fehlerströme aufbauen, die den Vorwiderstand stark überlasten. Für diesen Fall werden in der Regel Schutzmaßnahmen vorgesehen.

Schutzmaßnahmen mit Sicherungswiderständen

Sicherungswiderstände haben oft nur einen kleinen Bereich der Kennlinie definiert. Besonders im Überstrombereich sind Sicherungswiderstände daher bei Fehlfunktionen der Schaltung oft eher eine zusätzliche Gefahr als ein Schutz. Dennoch werden zum Schutz häufig Sicherungswiderstände als Vorwiderstände eingesetzt. Diese sind in der Lage, den Stromkreis bei hohen Überströmen, wie z.B. bei einem Kurzschluss zu unterbrechen. Als Schutz vor geringeren Überlasten sind sie jedoch nur unzureichend geeignet. Sicherungswiderstände können eine so große thermische Verlustleistung, erzeugen, dass sie zu einem akuten Sicherheitsrisiko werden können.

Während der Arbeiten an dieser Seite verabschiedete sich das Steckernetzteil meiner Schreibtischlampe mit Knistern, einer kleinen Stichflamme und Rauch. Die beiden Fotos zeigen einen überlasteten Sicherungswiderstand der nur durch rechtzeitiges Abschalten der Speisespannung, dem großen Abstand zur Platine und der Staubfreiheit am völligen Abbrennen gehindert wurde.

Sicherungen Geschichte Sicherungswiderstände2Sicherungen Geschichte Sicherungswiderstände3

Schutzmaßnahmen mit Sicherungen

Im Unterschied zu Sicherungswiderständen bieten Schmelzsicherungen sowohl bei Fehlerströmen im Überlastbereich als auch im Kurzschlussbereich den notwendigen Schutz vor Folgeschäden durch einen Defekt der Elektronik. Sicherungen mit träger Ansprechcharakteristik reagieren auch im Bereich relativ geringer Überlast in einem definierten und engeren Zeitbereich als Sicherungswiderstände. Sie sind in Konstruktion und Funktion auf ein sicheres Unterbrechen des Fehlerstromes ausgelegt. Ein weiterer Grund für den Einsatz von Sicherungen ist ihre Fähigkeit, hohe Ströme auch bei Nennspannung def. auszuschalten und dabei einen hohen Isolationswiderstand nach der Trennung sicherzustellen. Nachteilig ist, dass ihr Widerstand standardgemäß aber sehr gering ist und oft mit einem hohem Temperaturkoeffizienten (TK) behaftet ist. Die Ausrichtung ihrer Funktion auf ein bestimmtes Kennlinienverhalten lässt dabei in der Regel hohe Widerstandsstreuungen zu (+- 15% Exemplarstreuung sind üblich).

Die Notlösung der Praxis

Um die bedeutenden Funktionen beider Bauteile wie def. Kurzschluss- und Überlastschutz sowie Strombegrenzung mit geringem TK in einer R, C-Kombination abzubilden, werden vereinzelt beide Bauelemente kombiniert. Eine teure und wg. der strombegrenzenden Wirkung des Widerstands sehr zweifelhafte Lösung

Sicherungen Geschichte Sicherungswiderstände5

Die innovative Lösung – die Sicherungs-Widerstand-Kombination (SWK)

Mit der Kombination der wesentlichen Eigenschaften von Widerstand und Sicherung auf einem SMD-Chip wurden Bauteile entwickelt, die im Normalbetrieb wie ein Widerstand wirken und im Fehlerfall wie eine Sicherung reagieren. Abgrenzung der dominanten Eigenschaften wie Widerstand, max. Verlustleistung und TK auf der einen und Kennlinie, Schaltvermögen und Pulsfestigkeit auf der anderen Seite sind die herausragenden Merkmale der SWK. Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Eigenschaften der jeweiligen Bauteilfunktion auf einen Blick:

Die Sicherungseigenschaften des SWK:

  • strombezogene Kennlinie der Abschaltzeiten
  • Teilbereichskennlinie bis weit in den Überlastbereich hinein definiert
  • geringe Eigenerwärmung des Bauteils im Fehlerfall
  • hohes Ausschaltvermögen bei angegebener Nennspannung
  • hoher Isolationswiderstand nach dem Abschalten des Fehlerfalls

Die Widerstandseigenschaften des SWK:

  • großer Widerstandsbereich von mΩ bis Ω
  • Widerstandstoleranz von ±10 %
  • kleiner Temperaturkoeffizient
  • große Langzeitstabilität bei hoher Belastbarkeit
  • hohe Pulsfestigkeit

Die folgenden Kennlinien vergleichen die Kennlinie eines SWK-Bauteils mit denen handelsüblicher Sicherungswiderstände. Die grüne Kennlinie einer SWK bietet – im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherungswiderständen – einen Vollbereichsschutz (soweit das bei Schmelzsicherungen möglich ist; siehe auch den Beitrag „Risikobericht“). Ansonsten ist die Darstellung wohl selbsterklärend, so dass die deutlichen Vorteile hinsichtlich der Gerätesicherheit nicht näher erläutert werden müssen.

Die „Bauteilkombinationen“ des SWK-Konzeptes wurden auf SMD-Chips der kleinsten Größe von 2510 realisiert und getestet. Kleinere Größen und leiterbahnintegrierte Lösungen wurden angedacht aber nicht weiterverfolgt. Leider, denn bei allen Problemen von Schmelzsicherungen (siehe den Risikobericht auf dieser Seite) bietet die SWK-Lösung erheblich mehr Sicherheit als Sicherungswiderstände.