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Die Funktionsweise selbst rückstellender Sicherungen wird betrachtet.


Selbst rückstellende Sicherungen


Selbst rückstellende Sicherungen

In Beschreibung des Bauelements PTC-Widerstand wird die Strom-Spannungs-Kennlinie von PTC-Widerständen beschrieben:

PTC-B598-U-I.png
Bild 1: Strom-Spannungs-Kennlinie von PTC-Widerständen des Typs B598

Betrachten wir die Strom-Spannungs-Kennlinie gibt es zwei Bereiche:

  • Bis zu Spannungen von etwa 2V steigt der Strom mit der Spannung.
  • Der PTC verhält sich wie ein normaler Widerstand.
  • Über 3V wird der Strom durch den PTC mit steigender Spannung geringer.
  • Das ist natürlich nicht das Verhalten eines normalen Widerstands.
  • Die B598 begrenzen sogar den Strom
  • B59830 auf 350mA
  • B59840 auf 250mA
  • B59850 auf 150mA

Diese PTC-Widerstände verhalten sich fast so wie eine Sicherung:

  • Wenn der Strom zu groß wird, wird er begrenzt.
  • Auf jeden Fall kann damit eine Schaltung geschützt werden.

Sicherung mit PTC-Widerstand

Tatsächlich gibt es spezielle PTC-Widerstände, die als selbst rückstellende Sicherungen eingesetzt werden.

Diese Sicherungen verhalten sich nicht wie normale Sicherungen, die beim Überschreiten des Auslösestroms den Stromkreis völlig unterbrechen und ausgetauscht werden müssen.

Bei einer PTC-Sicherung wird ebenfalls dafür gesorgt, dass kein Strom größer als der Auslösestrom auftritt. Allerdings wird der Stromkreis nicht völlig unterbrochen, sondern der Strom auf einen Wert unterhalb des Auslösestrom begrenzt. Damit ist die Last gegen Überlastung geschützt.

Wird nach dem Auslösen der PTC-Sicherung die Stromversorgung kurz ausgeschaltet, ist die Sicherung wieder eingeschaltet und bereit, auf die nächste Störung zu reagieren.

PTC_Sicherung.png
Bild 2: Schaltung mit PTC-Sicherung

Die Analyse der Schaltung ist nicht einfach.

  • Die U-I-Kennlinie eines PTC ist gekrümmt.
  • Sie fällt bei höheren Spannungen sogar ab.

Wir wenden das Verfahren an, das in So funktioniert's: Schaltungen berechnen vorgestellt wurde.

Die PTC-Widerständen des Typs B598 sind für Sicherungen für keine Spannungen nicht gut geeignet. Der PTC-Widerstand mit nachstehender Kennlinie ist besser geeignet.

PTC-in-Kennlinienfeld_5V_440mA_s.png
Bild 3: U-I-Kennlinie eines PTC

Dieser PTC hat ein Maximum bei 370mA und 0,8V. Er ist als Sicherung für 370mA geeignet. Günstig ist auch die dabei geringe Spannung von 0,8V.

Um die Wirkung der Sicherung zu verstehen, wenden wir die bekannte Schaltung an.

X-an-U.png
Bild 4: Bauelement an Spannungsquelle mit Widerstand

Das Bauelement ist unser PTC-Widerstand. Diese Schaltung stimmt der in Bild 2 überein. Nur die beiden Widerstände wurden vertauscht. R in Bild 4 ist die Last hinter der Sicherung.

PTC-und-Rs-an-5V-ein-in-Kennlinienfeld_5V_440mA_s.png
Bild 5: PTC-Widerstand an zwei Lasten

Die Lage in Bild 5 ist eindeutig:

  • Bei 13Ω an 5V (blau) hat die Sicherung nicht ausgelöst:
  • am PTC fallen 0,6V bei 340mA ab.
  • Bei 10Ω an 3V (pink) hat sie ebenfalls nicht ausgelöst:
  • am PTC fallen 0,43V bei 255mA ab.
PTC-und-Rs-an-5V-in-Kennlinienfeld_5V_440mA_s.png
Bild 6: PTC-Widerstand an Lasten

In Bild 6 sind weitere Lasten eingetragen.

  • Die Last von 11Ω an 5V (rot) löst die PTC-Sicherung aus:
  • es fallen 3,6V bei 110mA am PTC ab.
  • Die Last von 12Ω an 5V (schwarz) führt zu einer mehrdeutigen Situation:
  • Die Kennlinie des PTC wird an drei Stellen gekreuzt:
  • Bei 0,6V und 340mA hat die Sicherung nicht ausgelöst.
  • Bei 1.6V und 280mA hat sie ausgelöst ebenso wie
  • bei 3,4V und 130mA.

Kurzzeitige Überlastung

Die Sicherung ist bei 12Ω eingeschaltet (0,6V und 340mA).

Kurzzeitig steigt die Last auf 11Ω an. Dann löst die Sicherung aus: (3,6V und 110mA).

Wenn sich jetzt die Last wieder auf 12Ω verringert, stellt sic sich auf 3,4V und 130mA ein und bleibt ausgelöst.

Erst, wenn die Last auf 13Ω verringert wird, schaltet sich sie Sicherung wieder ein auf 0,6V bei 340mA.

Danach kann sie wieder mit 12Ω belastet werden (0,6V und 340mA).

Genauere Betrachtung

Eine normale Schmelzsicherung schaltet nicht unmittelbar beim Überschreiten des Auslösestroms ab, sondern lässt kurzzeitig einen sehr viel höheren Strom fließen, der den Sicherungsdraht zum Schmelzen bringt.

Bei der PTC-Sicherung ist es ähnlich. Die Sicherungswirkung kommt durch die Erwärmung des PTC zustande. Das dauert je nach Strom eine gewisse Zeit. Die PTC-Sicherung kann also kurzzeitig überlastet werden. Wenn der PTC heißer wird, erhöht sich sein Widerstand und er begrenzt den Strom.

Ebenso verhält es sich, wenn die PTC-Sicherung sich wieder einschaltet. Der PTC muss für eine gewisse Zeit geringer belastet werden, um sich abzukühlen.

Diese Zeiten sind bei typischen PTC-Sicherungen im Bereich von 1s bis 5s, wenn die Sicherungen mit dem fünffachen des Auslösestrom belastet werden. Bei ganz hohen Belastungen, z.B. Kurzschlüssen reagieren sie jedoch wesentlich schneller.

Fazit

  • Spezielle PTCs können als selbst rückstellende Sicherungen verwendet werden.
  • PTC-Sicherungen reagieren nicht sehr schnell.
  • Es können kurzzeitig Ströme weit über dem Auslösestrom auftreten.
  • Es können mehrere Sekunden vergehen, bis die Sicherung auslöst.
  • PTC-Sicherungen reagieren vergleichbar (schnell/langsam) wie Schmelzsicherungen.
  • PTC-Sicherungen sind deshalb nicht zum Schutz sehr empfindlicher Schaltungen geeignet.
  • PTC-Sicherungen eignen sich hervorragend zum Schutz gegen Überlastung von Stromversorgung,
  • wie z.B. die 5V-Versorgung beim Raspberry Pi.