SMD-Sicherungen zum Schutz von Schaltungen

Kfz-Applikationen stellen hohe Anforderungen an neue Produkte

 

Der stetig steigende Elektronikanteil in vernetzten Automobilen macht u.a. SMD-Sicherungen zum Schutz dieser Schaltungen erforderlich. Zugleich gelten in der Automobilindustrie extrem hohe Anforderungen, die Verbesserungen der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit stetig vorantreiben.

Im Folgenden Ausführungen werden zwei der gebräuchlichsten Arten von Einweg-SMD-Sicherungen kurz beschrieben: Solid-Body-(Chip-)Sicherungen und Wire-in-Air-Sicherungen. Beide Sicherungs-Arten haben ihre Vorteile und kommen deshalb in unterschiedlichen Applikationen zum Einsatz. Ergänzend dazu werden zudem noch die Vor- und Nachteile alternativer Sicherungsstrukturen besprochen. Darauf aufbauend werden die Ergebnisse von Vergleichstests dargestellt, die bei realistischen Betriebs-Szenarien durchgeführt wurden und erkennen lassen, welche Verbesserungen mit der neuesten Generation von SMD-Sicherungen möglich sind.

Steigender Bedarf an besserem Schaltungsschutz

Rückstellbare Sicherungsbauteile sind eine gute Wahl, wenn Überstromzustände auf eine vorübergehende Störung zurückzuführen sind. In vielen Anwendungen jedoch, insbesondere wenn Fehlerströme zu schweren Schäden an anderen Schaltungen oder Systemen führen können, ist die klassische Einwegsicherung immer noch die beste Wahl.

Während in vielen Anwendungen herkömmliche Clip-montierte Glasrohrsicherungen zum Einsatz kommen und Flachsicherungen in Kfz-Anwendungen allgegenwärtig sind, gibt es zudem auch Applikationen im Kraftfahrzeug, bei denen elektronische Funktionseinheiten durch leistungsfähige SMD-Sicherungen geschützt werden sollten. In Frage kommen dabei vor allem elektronische Anwendungen, die im Fahrzeug rauesten Bedingungen wie großen Temperaturschwankungen, Stößen und Vibrationen, Feuchtigkeit, Wasser und Salz ausgesetzt sind. Diese benötigen einen leiterplattenmontierten Schaltungsschutz, der mit der rasanten Zunahme von Elektrofahrzeugen (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeugen – zumeist mit leistungsstarken Lithium-Batteriesystemen – katastrophale Ausfälle weitestgehend vermeiden soll. Viele Hersteller entscheiden sich dabei für Schutzbauteile, die in Oberflächenmontage-Technik auf Leiterplatten montiert werden.

Typen von SMD-Sicherungen

Wie bereits erwähnt, konzentriert sich dieser Beitrag auf die gebräuchlichsten Typen von SMD-Sicherungen: Solid-Body- und Wire-in-Air-Sicherungen. In ähnlicher Weise wie Chip-Induktivitäten und mehrschichtige Keramikkondensatoren (MLCCs) werden SMD-Sicherungen in einer Vielzahl von EIA-Standardgehäusen verpackt, deren Größen durch die jeweilige technische Verwendung und die Stromstärken bestimmt werden.

Solid-Body- (Chip-)Sicherungen werden in vielen platzbeschränkten Anwendungen, wie tragbare elektronische Geräte, Unterhaltungssysteme, Festplattenlaufwerke, eingesetzt. Die Strombelastbarkeit liegt typischerweise im Bereich von 125 mA bis zu mehreren Ampere. Diese Bauelemente werden sowohl in schnell schaltenden (Fast-Acting-) und zeitverzögert schaltenden Versionen (Time Lag) angeboten.
Wire-in-Air-Sicherungen (Draht in Luft) finden sich üblicherweise in Anwendungen mit höheren Betriebsströmen, bei denen eine schnell wirkende Auslösung und bessere Lichtbogenunterdrückung erforderlich sind. Zu den Anwendungen gehören Batterieladegeräte, Akkupacks und Schaltungen mit sehr hohen Fehlerströmen und höheren Spannungen.

 

Solid-Body-Sicherungen

Die beiden gebräuchlichsten Strukturen für Solid-Body- (Chip-)Sicherungen sind der Mehrschicht-Keramiktyp und der Leiterplattentyp. Die Zoom-Aufnahme in Bild 1 zeigt einen Vergleich dieser beiden Konstruktionstechniken. Der Keramiktyp auf der linken Seite besitzt eine monolithische Einbrand-Struktur mit zwei eingebetteten Schichten aus Schmelzmaterial.

 

© AEM Components

Bild 1. Querschnittsansicht von Solid-Body-SMD-Sicherungen, zum einen als Keramik-, zum anderen als Leiterplattentypen

Bei der Leiterplattenstruktur auf der rechten Seite indes setzt sich das Bauelement hauptsächlich aus einer Struktur – bestehend aus Epoxidharz und Glasfasergewebe (FR4) – zusammen. Das Sicherungselement ist mit der Oberfläche der Leiterplatte verbunden und mit einem Schutzpolymer beschichtet.

Obgleich der Leiterplattentyp sehr gebräuchlich ist, bietet der Keramiktyp einige entscheidende Vorteile. Aufgrund seiner monolithischen Struktur eignet sich dieser Typ für höhere Nennströme in einem kleineren Gehäuse, einen breiteren Betriebstemperaturbereich und stabile Betriebseigenschaften auch unter extremen Bedingungen. Die Struktur ist zudem weniger anfällig für mechanische Beschädigungen.

 

© AEM Components

Bild 2. Die monolithische Struktur der Keramiksicherungen (links) absorbiert den Fehlerstrom im Vergleich zu herkömmlichen Chip-Sicherungen (rechts) ohne äußerliche Beschädigungen.

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungskriterium zwischen diesen beiden Arten von Sicherungen ist, wie diese mechanisch auf einen Fehlerzustand reagieren.

Bild 2 zeigt einen Vergleich zwischen SolidMatrix-Sicherungen von AEM Components einerseits und herkömmlichen Chip-Sicherungen andererseits. Bei den AEM-Bausteinen ist das Sicherungselement in das Keramikgehäuse diffundiert und es sind keine äußerlichen Veränderungen sichtbar. Bei den herkömmlichen Chip-Sicherungen sind Lichtbogenbildung und Oberflächenbeschädigung aufgrund des Fehlerstroms häufig anzutreffen.

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