../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Sicherungen mit PTC

Im Praktikum Spezielle Widerstände haben wir gesehen, dass der Widerstandswert eines PTC-Widerstands rapide mit der Temperatur ansteigt. Der Anstieg beginnt allerdings erst bei einer bestimmten Temperatur.

PTC_Kennlinie.png
Bild 1: Kennlinie eines PTC-Widerstands

Der Anstieg des Widerstands mit der Temperatur ist deutlich zu erkennen.

Die hier dargestellten Typen haben einen Bereich von 50°C bis 200°C in dem der Widerstand mit der Temperatur steigt.

Belasteter PTC-Widerstand

Wenn wir einen PTC-Widerstand mit Strom belasten erwärmt er sich. Ab einer Erwärmung auf 50°C erhöht sich der Widerstandswert des PTC.

Dazu wird etwa 1W benötigt. Der PTC in Bild 1 hat in kaltem Zustand einen Widerstand von 10Ω. Bei U=10V fließen dann I=1A und die Leistung ist P=U*I=10V*1A=10W.

Mit 10W bei 10V erwärmt sich der PTC erheblich. Würde er 100°C heiß werden, hätte er aufgrund der Erwärmung laut Kennlinie in Bild 1 einen Widerstandswert von 100Ω. Der Strom durch den PTC wäre dann nur Ih=10V/100Ω=0,1A und die Leistung Ph=10V*0,1A=1W. Mit 1W bleibt die Temperatur des PTCs bei 100°C.

  • Bei Überlastung reduziert der PTC den Strom.

Dieses Verhalten wird genutzt, um mit PTCs Sicherung aufzubauen.

PTC-Widerstand als Sicherung

PTC_Sicherung.png
Bild 2: Schaltung mit PTC-Sicherung

Normalerweise fließt in der Schaltung in Bild 2 ein Strom, der so gering ist, dass sich der PTC nicht erwärmt. Wenn der Widerstand RL allerdings aufgrund einer Störung kleiner wird, fließt durch den PTC RS ein so hoher Strom, dass dieser sich erwärmt und den Strom begrenzt. Der PTC wirkt wie eine Sicherung, jedoch nicht wie eine Schmelzsicherung. Es Schaltet nicht ab, sondern sorgt nur dafür, dass der Strom nicht zu groß wird. Auch im ausgelösten Zustand lässt er noch einen geringen Strom fließen.

Wird der Stromkreis unterbrochen, kühlt sich der PTC ab. Danach ist die PTC-Sicherung wieder aktiv und kann erneut ausgelöst werden. Eine PTC-Sicherung wird deshalb auch als Selbst rückstellende Sicherung bezeichnet.

Mit dem PTC von Bild 1 würde der Strom Is auf etwa 50mA bis 100mA begrenzt.

Selbst rückstellende Sicherungen

Als PTC-Sicherung werden allerdings spezielle PTCs eingesetzt. Es sind PTC-Sicherung für bestimmte Ströme verfügbar. Sie dürfen nur bis zu einer maximalen Spannung eingesetzt werden.

PTC-Sicherungen reagieren nicht besonders schnell. Bei geringen Überströmen sind es meistens mehrere Sekunden. PTC-Sicherungen sind gut als Grobschutz geeignet.

PTCs als "Selbst rückstellende Sicherungen" sind ein wirksamer Schutz moderner elektronischer Geräte oder Baugruppen mit Leistungen zwischen 5W und 50W. Beispielsweise wird der Versorgungsstromkreis des Raspberry Pi durch eine PTC-Sicherung geschützt.

Einfache Sicherung mit PTC

Wie brauchen eine Sicherung, die bei unseren Versuchen Bauelemente zu Beschädigung schützt, wenn wir Fehler begehen. Eine PTC-Sicherung wird einfach an den Ausgang unserer Spannungsquelle wie 4,5V Batterie oder USB-Netzteil geschaltet.

Wir untersuchen an dieser Stelle wie wirksam eine PTC-Sicherung unsere Schaltung schützt.

Für die meisten unsere ersten Versuche kommen wir mit einem Strom von 50mA aus. Bei Reichelt nach "LITT RXEF005" suchen.

Betrachten wir PTC-Sicherung RXEF005.

Wir verwenden eine Diode 1N4007. Sie ist kräftig genug, unsere Versuche zu überstehen. Sie ist außerdem ein gutes Modell für ein IC, dessen Stromversorgung verpolt wurde. Damit wir einfach den Strom durch die Sicherung und die Diode messen können, schalten wir einen Widerstand Rₘ ein.

PTC_Sicherung_Diode.png
Bild 1: Versuchsschaltung für eine PTC-Sicherung

Wir messen die Spannung Uₘ am Widerstand Rₘ und können den Strom

Is = Iₘ = Uₘ / Rₘ
Is = Iₘ = Uₘ / 1Ω

Der Strom Is durch die Sicherung entspricht also der Spannung Uₘ am Widerstand Rₘ.

Die PTC-Sicherung RXEF005 hat, wenn sie nicht ausgelöst hat, einen Widerstand von etwa 10Ω. Der Strom Is kann dann maximal

Ism = (Uv -   Ud) / (Rsi + Rₘ₎
Ism = (5V - 0,7V) / (10Ω + 1Ω)
Ism = 0,39A = 390mA

Am Widerstand Rₘ werden maximal 0,39V=390mV auftreten.

Wenn wir die Stromversorgung einschalten sehen wir, dass der Strom mit der Zeit geringer wird. Wir können es gemütlich am Digitalvoltmeter verfolgen, wie der Strom sinkt. In etwa 10s ist er auf 100mA abgefallen. Die 50mA werden meistens nie erreicht.

Eine Diode vom Typ 1N4148 wird durch die PTC-Sicherung gut geschützt. Ein verpoltes IC wird ebenso keinen Schaden erleiden.

Wie sieht es aber mit einer versehentlich ohne Vorwiderstand betriebenen LED aus?

Iled = (Uv - Uled) / (Rsi + Rₘ₎
Iled = (5V - 1,8V) / (10Ω + 1Ω)
Iled = 0,29A = 290mA

Eine LED soll laut Datenblatt mit maximal 20mA betrieben werden. Ob sie es übersteht?

Wir sind mutig und versuchen es.

Glück gehabt. Die LED leuchtet sehr hell und verkraftet einen Strom, den die PTC-Sicherung nach einigen Sekunden auf etwa 100mA begrenzt.

Die angegebenen Werte können voneinander abweichen, weil die Eigenschaften der PTC-Sicherungen um ±20% abweichen dürfen.

Wir können also davon ausgehen, dass diese PTC-Sicherung unsere Schaltungen schützt. Wir sollten dennoch die Stromversorgung möglichst schnell abschalten, wenn wir den Fehler feststellen.

Diese PTC-Sicherung kann mit bis zu 50mA betrieben werden, das sind etwa 15 LEDs mit einem Vorwiderstand von 1kΩ. An der PTC-Sicherung fallen bei 50mA etwa 0,5V ab. Das ist vergleichbar mit unserer einfachen Elektronischen Sicherung.

Versuchen wir es mit der RXEF010 für 100mA. Der Strom startet bei über 500mA und begrenzt bei einer Diode nach über 10s auf 100mA. Eine LED hat es auch überlebt. An ihr fallen bei 100mA etwa 0,4V ab.

Bei PTC-Sicherungen für höhere Ströme sieht es nicht so gut aus.

Eine PTC-Sicherungen für 1A, wie sie z.B. beim Raspberry Pi verwendet wird, kann

  • an 5V bis zu 25A fließen lassen
  • löst bei 5,5A nach über 6s aus
  • ist zum Schutz beim Test von Schaltungen nicht geeignet.
  • Ein Spannungsregler vom Typ LM78xx ist besser, weil er sicher auf 2,2A begrenzt :-)
Attention pin

Fazit

  • Für unsere Versuche sind PTC-Sicherungen für kleine Ströme gut geeignet.
  • Sie begrenzen den maximalen Strom aufgrund ihres Widerstands.
  • Sie lösen zwar langsam aus, begrenzen dann den Strom so weit, dass Bauelemente geschützt werden.
  • Geeignet sind:
  • Die RXEF005 für 50mA
  • Die RXEF010 für 100mA
  • Wird der Eingang eines ICs verpolt können schon 20mA fatale Folgen haben.

Elektronische Sicherung

Eine Elektronische Sicherungen sollte einer PTC-Sicherung vorgezogen werden.

  • Sie begrenzt ziemlich genau auf den eingestellten Strom
  • Sie reagiert unter 1ms
  • über 1000 mal so schnell wie eine PTC-Sicherung
  • Sie kann auch für 20mA und
  • größere Ströme ausgelegt werden.
  • Sie kann einfach über Steckbrücken oder Schalter im Betrieb umgeschaltet werden.

Für den Schutz empfindlicher Bauelemente und Versuchsschaltungen sind PTC-Sicherung nicht geeignet, weil sie zu langsam reagieren. Da sind Elektronische Sicherungen besser.

Die Funktion von PTC-Sicherungen wird in Selbst rückstellende Sicherungen genauer erklärt.

Regeln

  • Selbst rückstellende Sicherungen sind spezielle PTC-Widerstände,
  • Sie sind für einen bestimmten Auslösestrom spezifiziert.
  • können nur bis zu einer maximalen Spannung eingesetzt werden,
  • erhitzen sich bis auf über 100°C
  • müssen frei eingebaut werden.
  • PTC-Sicherungen für 50mA oder 100mA sind für unsere Versuche geeignet.
  • Eine elektronische Sicherung ist besser.