Selbstrückstellende Sicherungen

Sicherung mit PTC-Widerstand

Tatsächlich gibt es spezielle PTC-Widerstände, die als selbstrückstellende Sicherungen verwendet werden.

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

Bei einer PTC-Sicherung wird ebenfalls sichergestellt, dass kein Strom größer als der Auslösestrom fließt. Allerdings wird der Stromkreis nicht vollständig unterbrochen, sondern der Strom auf einen Wert unterhalb des Auslösestroms begrenzt. Dadurch wird die Last vor Überlastung geschützt.

Wird nach dem Auslösen der PTC-Sicherung die Stromversorgung kurzzeitig abgeschaltet, ist die Sicherung wieder eingeschaltet und bereit, auf den nächsten Fehler zu reagieren.

Die Analyse der Schaltung ist nicht ganz einfach.

• Die U-I-Kennlinie eines PTC ist gekrümmt.

• Bei höheren Spannungen fällt sie sogar ab.

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

Die PTC-Widerstände vom Typ B598 sind für Sicherungen für kleine Spannungen nicht gut geeignet. Besser geeignet ist der PTC-Widerstand mit der folgenden Kennlinie.

Dieser PTC hat ein Maximum bei 370mA und 0,8V. Er eignet sich als Sicherung für 370mA. Die niedrige Spannung von 0,8V ist auch günstig.

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

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

Die Situation 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.

In Bild 6 sind weitere Lasten eingetragen.

• Die Last von 11Ω an 5V (rot) löst die PTC-Sicherung aus:

• am PTC fallen 3,6V bei 110mA ab.

• Die Last von 12Ω an 5V (schwarz) führt zu einer mehrdeutigen Situation:

• Die Kennlinie des PTC wird an drei Stellen gekreuzt:

• Bei 0,7V und 360mA hat die Sicherung nicht ausgelöst.

• Bei 1,6V und 280mA hat sie ausgelöst ebenso wie

• bei 3,4V und 130mA.

• 0,7V und 360mA stellen sich ein,

• wenn noch keine Überlastung aufgetreten ist.

• 3,4V und 130mA stellen sich ein,

• wenn es vorher eine kurzzeitige Überlastung mit z.B. 11Ω stattgefunden hat und die Spannung bei 3,6V lag. Nur dann kann der Bereich zwischen 1.6V und 3,4V erreicht werden.

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 sie sich auf 3,4V und 130mA ein und bleibt ausgelöst.

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

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

Genauere Betrachtung

Eine normale Schmelzsicherung schaltet nicht sofort ab, wenn der Auslösestrom überschritten wird, sondern lässt kurzzeitig einen viel höheren Strom fließen, der den Sicherungsdraht zum Schmelzen bringt.

Ähnlich verhält es sich bei der PTC-Sicherung. Die Sicherungswirkung entsteht durch die Erwärmung des PTC. Dieses dauert je nach Strom eine gewisse Zeit. Die PTC-Sicherung kann also kurzzeitig überlastet werden. Wenn sich der PTC erwärmt, steigt sein Widerstand und er begrenzt den Strom.

Das Gleiche gilt, wenn sich die PTC-Sicherung wieder einschaltet. Der PTC muss für eine gewisse Zeit niedriger belastet werden, um sich abzukühlen.

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