Einführung – Elektrische Sicherungen
Dieser Leitfaden soll Ihnen dabei helfen, die Funktionsweise von Sicherungen, die verschiedenen Arten von Sicherungen auf dem Markt, die verschiedenen Standards von Sicherungen und die Aspekte zu verstehen, nach denen Sie beim Kauf einer Sicherung Ausschau halten sollten. Dieser Leitfaden soll Hobbybastlern und professionellen Entwicklern bei der Auswahl der richtigen Sicherung für ihre Anwendungen hel
Eine elektrische Sicherung ist ein in einem Stromkreis zum Schutz Ihrer Leitungen und Stromkreiselemente enthaltener Baustein. Sie schützt Ihre Geräte, indem sie den übermäßigen Stromfluss, der bei einer Überlast, einem Kurzschluss oder einem Masseschluss durch sie fließt, begrenzt. Eine Sicherung besteht aus einem Schmelzleiter (oder Schmelzleitern), der sich in einem Körper befindet und mit einer Kontaktklemme verbunden ist. Der elektrische Widerstand der Schmelzleiter ist so niedrig, dass sie (normalerweise) als Leiter fungieren. Sicherungen müssen mit jedem Außenleiter in Reihe geschaltet werden, damit der Strom entsprechend fließen kann. Der Hersteller nennt für jede Sicherung den Nennstrom (in der Regel in Ampere), der bestimmt, wie viel Strom die Sicherung ohne Auslösen maximal führen kann. Wenn der Stromfluss im Stromkreis diesen Wert überschreitet, schmilzt die Sicherungsverbindung aufgrund der durch den Stromfluss erzeugten Wärme und öffnet den Stromkreis.
Abbildung 1: Eine elektrische Sicherung (Bild mit freundlicher Genehmigung von: LITTELFUSE)
Die Sicherungsgeschwindigkeit wird durch die Zeit bis zum Auslösen bestimmt. Sie hängt vom Material des Sicherungselements, dem Überlaststrom und der Umgebungstemperatur ab. Nachfolgend sind Sicherungen nach der Zeit bis zur Auslösung aufgelistet:
Es gibt drei Hauptkategorien von Sicherungen, die auf dem Markt erhältlich sind, basierend auf verschiedenen Anforderungen. Diese sind wie folgt:
Abbildung 2: Patronensicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: SCHURTER)
Patronensicherungen sind in den meisten industriellen und kommerziellen Anwendungen sehr beliebt, da sie eine größere Auswahl an Typen, Größen und Nennwerten aufweisen. Das Sicherungselement dieser Sicherungen ist mit einem Glas- oder Keramikröhrchen ummantelt und an Endkappen gesichert, die fest am Gehäuse der Sicherung befestigt sind. Diese Sicherungen sind einfach auszuwechseln, können für Spannungen von bis zu 1.500 V ausgelegt werden und haben eine Abschaltleistung von 600 mA bis 200 kA.
Abbildung 3: HH-Sicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: Eaton Bussmann)
HH-Patronensicherungen sind auch als High-Rupturing-Capacity-Sicherungen bekannt, werden in HV-Systemen bei bis zu 11 kV eingesetzt und sind in Abstufungen bis 350 A erhältlich. Sie schützen Hochspannungssysteme wie Transformatoren, Kondensatorbänke, Kabel und Überkopfstromleitungen vor Kurzschlüssen.
Abbildung 4: Kfz-Flachstecksicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: Littelfuse)
Diese schützen verschiedene elektrische und elektronische Komponenten wie Scheinwerfer, Scheibenwischer, Hupen und Kraftstoffpumpen. In heutigen Fahrzeugen werden am häufigsten Flachstecksicherungen verwendet. Häufig kommen Sicherungen mit Keramikgehäusen und Schraubanschlussklemmen zum Einsatz. Einige ältere Fahrzeuge sind jedoch noch mit Patronensicherungen ausgestattet. Flachstecksicherungen sind in drei Typen erhältlich: Standard-Flachsicherung, Mini-Sicherung und Maxi-Sicherung. Die Mini-Sicherung ist die am häufigsten verwendete Schutzvorrichtung für Schaltungen. Mini-Sicherungen sind mit Nennwerten von 5 bis 30 A erhältlich. Die Maxi-Sicherung ist eine einsatzbereite Ersatzlösung für eine Schmelzdrahtsicherung. Sie wird in Stromkreisen mit hohen Betriebsströmen verwendet. Maxi-Sicherungen sind mit Nennleistungen von 2 bis 100 A erhältlich, am häufigsten sind 30 A. Schraubsicherungen werden in Hybrid-, Elektro- oder herkömmlichen Fahrzeugen zur Leistungsverteilung verwendet und haben hohe Nennleistungen von 80 bis 350 A.
Abbildung 5: Sicherungen mit Alarmsignal (Bild mit freundlicher Genehmigung von: Eaton)
Sicherungen mit Alarmsignal verfügen über einen integrierten Mechanismus, der einen Alarmkontakt auslöst, wenn die Sicherung durchbrennt. Sie wurden entwickelt, um Ausfallzeiten zu reduzieren, indem sie eine sofortige Lokalisierung des durchgebrannten Stromkreises erlauben. Sicherungen mit Alarmsignal werden in Werkzeugmaschinen, Computern, Steuerkreisen und Telekommunikationsgeräten verwendet.
Abbildung 6: Sicherungen für Industrie- und Elektroanlagen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: Siemens)
Diese Sicherungen haben eine hohe Abschaltleistung und schützen Systeme wie Netztransformatoren, Verteiltransformatoren, Messtransformatoren und Photovoltaikanlagen, bei denen Leistungsschalter das System möglicherweise nicht schützen können. Sie sind für bis zu 1,5 kV ausgelegt.
Abbildung 7: Thermosicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: Bourns)
Thermosicherungen, auch als TCO-Sicherungen bezeichnet, arbeiten ähnlich wie reguläre Sicherungen, mit dem Unterschied, dass sie einen Stromkreis öffnen, wenn eine bestimmte Temperatur und nicht eine bestimmte Stromgröße überschritten wird. Es sind zwei Haupttypen von Thermosicherungen erhältlich: Einwegsicherungen und rückstellbare Sicherungen. Einwegsicherungen schalten beim Auslösen durch Wärme den Stromkreis dauerhaft ab und müssen ausgetauscht werden. Zu den gängigen Anwendungen gehören elektrische Geräte wie Kaffeemaschinen, Handtrockner, Motoren, Kocher usw. Rückstellbare Thermosicherungen können automatisch zurückgesetzt werden, nachdem die Temperatur wieder gesunken ist. Sie sind weniger weit verbreitet, können aber in bestimmten Anwendungen verwendet werden, bei denen das Zurückstellen von Vorteil ist.
Abbildung 8: Leiterplattensicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: BEL Fuse)
Sie verhindern Schäden an empfindlichen elektronischen Bauelementen auf gedruckten Leiterplatten durch Kurzschlüsse, Einschaltströme und Spannungsspitzen. Sie werden in Batterieladegeräten, Unterhaltungselektronik, Netzteilen, industriellen Steuerungen usw. verwendet. Leiterplattensicherungen sind in axialer und radialer Bauform erhältlich.
Abbildung 9: Leiterplattensicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: Panasonic)
wurden für SMT-Anwendungen (Surface-Mount Technology) entwickelt. Diese Sicherungen werden direkt auf den Leiterplatten montiert und schützen empfindliche Bauelemente vor Überstrom. Durch ihre kompakte Größe und ihre Eignung zur Oberflächenmontage sind sie ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot wie Smartphones, Tablets, LED-Beleuchtung und Kfz-Steuergeräte.
Abbildung 10: Halbleitersicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: SIBA)
Halbleitersicherungen: Halbleitersicherungen wirken sehr schnell und werden auch als I2T-Sicherungen bezeichnet. Leistungshalbleiter wie Dioden, SCRs, GTOs und IGBTs werden vor Kurzschlüssen geschützt. Die Sicherungen trennen äußerst schnell – schneller als herkömmliche Niederspannungs-HH-Sicherungen. Sie werden in DC-Zwischenkreisen, Stromrichtern, USV-Systemen und Softstartern für Motoren verwendet.
Abbildung 11: Halbleitersicherungen (Bild mit freundlicher Genehmigung von: Littelfuse)
Sie stellen eine rückstellbare Alternative für den Überstromschutz dar, wodurch Garantie-, Service- und Reparaturkosten reduziert werden. PPTC-Sicherungen sind für Anwendungen geeignet, bei denen häufig Überstrombedingungen auftreten oder die ständig in Betrieb sind, z. B. in Unterhaltungselektronik, Stromversorgungsleitungen, Telekommunikationsanlagen, Fahrzeugen, E/A-Anschlüssen, Prozesssteuerung und Schutzanwendungen für medizinische Geräte.
Bei der Auswahl der richtigen Sicherung für eine bestimmte Anwendung sind viele Faktoren zu berücksichtigen. Hier einige Beispiele:
Nennstrom: Dieser ist definiert als der maximale Strom, der kontinuierlich durch das Sicherungselement fließen kann, ohne die zulässigen Temperaturen zu überschreiten. Bei der Auswahl einer Sicherung wird empfohlen, den Nennstrom so nah wie möglich am Standardbetriebsstrom des Systems auszurichten.
Nennspannung: Dies ist die maximal zulässige Betriebsspannung der Sicherung unter der sichere Arbeitsbedingungen eingehalten werden. Die Nennspannung der Sicherung muss mindestens der verfügbaren Spannung im Stromkreis entsprechen. Das Überschreiten der Nennspannung oder die Verwendung einer reinen Wechselstromsicherung in einem Gleichstromkreis kann zu einem schwerwiegenden Sicherungsausfall führen.
Umgebungstemperatur: Die Prüfung der Strombelastbarkeit von Sicherungen wird bei 25°°C durchgeführt und hängt von der Umgebungstemperatur ab. Eine höhere Umgebungstemperatur verringert die Stromkapazität und verkürzt die Lebensdauer der Sicherung. Daher kann die Lebensdauer einer Sicherung durch Arbeiten bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen verlängert werden.
Spannungsabfall: Hier wird Bezug auf den Spannungsabfall genommen, der von einer Sicherung erzeugt wird, wenn der Nennstrom durch sie fließt. Er gibt die Kapazität des internen Widerstands der Sicherung wieder. Der Spannungsabfall einer Sicherung sollte so gering wie möglich sein, um Leistungsverluste zu reduzieren.
Abschaltleistung: Die Abschaltleistung liegt bei dem Wert des voraussichtlichen Abschaltstroms, dem ein Sicherungselement bei einer bestimmten Spannung standhalten kann.
I2t-Nennwert: Wird auch als Schmelzintegral einer Sicherung bezeichnet. Dieser Parameter bezieht sich auf die Energie, die von der Sicherung verwendet wird, um dem EOC-Ereignis (Elektrischer Überstrom) entgegenzuwirken. I2T ist die zum Schmelzen eines bestimmten Sicherungselements erforderliche Wärmeenergie und wird durch die Konstruktion, die Materialien und die Querschnittsfläche des Elements bestimmt.
Ein Sicherungshalter ist ein Gehäuse, mit dem die Sicherung in elektrische und elektronische Stromkreise eingesetzt wird. Es ist nicht unbedingt immer nötig, einen Sicherungshalter zu verwenden, aber sein Einsatz vereinfacht doch den Einbau der Sicherung. Es ist damit auch einfacher, die Sicherung zu entfernen und den Stromkreis zu isolieren, um Wartungsarbeiten durchzuführen.
eFuses, oder elektronische Sicherungen, sind ICs, die als Ersatz für herkömmliche Sicherungen oder andere Schutzvorrichtungen wie PPTC-Sicherungen dienen. Sie sind in kleinen Kunststoffgehäusen untergebracht und umfassen einen Steuerstromkreis und einen Netzschalter mit niedrigem Widerstand im eingeschalteten Zustand, der den Eingangsanschluss mit der Last verbindet. eFuses bieten viel schnelleren und präziseren Schutz und müssen nach der Betätigung nicht ausgetauscht werden. Diese Sicherungen werden in Servern, HDD/SSD, Netzwerk-Switches, industriellen Controllern und Haushaltsgeräten verwendet.
Sicherungen unterliegen je nach Region und Anwendung verschiedenen Standards. Die Normen UL 248, CSA22 und NEC werden hauptsächlich in den USA verwendet. IEC 60127 ist der Sicherheitsstandard für Sicherungen, die für den internationalen Einsatz bestimmt sind. Außerdem gibt es einige anwendungsspezifische Standards wie ISO 8820, SAE J554 und JASO D612 für die Automobilindustrie, IEC 60269-4 für den Halbleiterschutz, UL 248-19 und IEC 60269-6 für Photovoltaikanlagen.
Sicherungen der Klasse CC sind gemäß den nordamerikanischen Standards UL 248-4 und CSA 22.2 für den Schutz von Abzweigstromkreisen ausgelegt. Diese zylindrischen Sicherungen messen 10 x 38 mm und verfügen über ein hohes Ausschaltvermögen von 200 kA bei 600 V AC mit Nennströmen von bis zu 30 A. Sicherungen der Klasse CC sind ideal zum Schutz relativ kleiner Abzweigstromkreise in Hochleistungseinspeisungen. Diese Sicherungen verfügen über eine Abstoßspitze mit kleinerem Durchmesser an der Kontaktkappe, wodurch sie sich optisch von zylindrischen Sicherungen unterscheiden.
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