Sicherungen mit PTC

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

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

Die hier gezeigten Typen haben einen Bereich von 50°C bis 200°C, in dem der Widerstand mit der Temperatur ansteigt.

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 im kalten Zustand einen Widerstand von 10Ω. Bei U=10V fließt dann ein Strom von I=1A und die Leistung ist P=U*I=10V*1A=10W.

Mit den 10W bei 10V wird der PTC sehr heiß. Würde er sich z.B. auf 100°C erwärmen, hätte er aufgrund der Erwärmung gemäß der Kennlinie in Bild 1 einen Widerstandswert von 100Ω. Der Strom durch den PTC wäre dann nur I_h=10V/100Ω=0,1A und die Leistung P_h=10V*0,1A=1W. Selbst bei 1W bleibt die Temperatur des PTCs bei 100°C.

• Bei Überlast reduziert der PTC den Strom.

Dieses Verhalten wird genutzt, um mit PTCs Sicherungen aufzubauen.

PTC-Widerstand als Sicherung

Normalerweise fließt in der Schaltung in Bild 2 ein Strom, der so gering ist, dass sich der PTC nicht erwärmt. Wenn der Widerstand R_L allerdings aufgrund einer Störung kleiner wird, fließt durch den PTC R_S ein so hoher Strom, dass dieser sich erwärmt und den Strom begrenzt. Der PTC wirkt wie eine Sicherung, jedoch nicht wie eine Schmelzsicherung. Er 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 Selbstrückstellende Sicherung bezeichnet.

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

Selbstrückstellende Sicherungen

Als PTC-Sicherungen werden spezielle PTCs verwendet. PTC-Sicherungen sind für bestimmte Ströme erhältlich. Sie dürfen nur bis zu einer maximalen Spannung eingesetzt werden.

• In Selbstrückstellende Sicherungen werden verschiedene PTC-Sicherungen vorgestellt.

PTC-Sicherungen reagieren nicht schnell. Bei kleinen Überströmen dauert es in der Regel einige Sekunden. PTC-Sicherungen eignen sich gut als Grobschutz.

PTCs als "Selbstrückstellende Sicherungen" sind ein wirksamer Schutz für moderne elektronische 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

Wir brauchen eine Sicherung, um die Bauteile während unserer Versuche vor Beschädigung zu schützen, falls wir einen Fehler machen. Eine PTC-Sicherung wird einfach an den Ausgang unserer Spannungsquelle angeschlossen, z.B. an eine 4,5 V-Batterie oder eine USB-Powerbank.

Wir untersuchen nun, wie wirksam eine PTC-Sicherung unsere Schaltung schützt.

Für die meisten unserer ersten Versuche kommen wir mit einem Strom von 50mA aus. Wir verwenden die PTC-Sicherung RXEF005.

Wir messen das Verhalten der PTC-Sicherung mit einer Diode 1N4007 (oder 1N4001...). Die 1N4007 ist kräftig genug, um unsere Versuche zu überstehen. Sie ist auch ein gutes Modell für einen IC, dessen Stromversorgung verpolt ist. Damit wir den Strom durch die Sicherung und die Diode leicht messen können, schalten wir einen Widerstand R_m ein.

Wir messen die Spannung U_m am Widerstand R_m und können den Strom I_s berechnen:

Is = Im = Um / Rm
Is = Im = Um / 1Ω

Wir brauchen nur die Spannung U_m am Widerstand R_m zu messen und haben den Strom I_m. Der Spannung in V entspricht der Strom in A.

Die PTC-Sicherung RXEF005 hat, wenn sie nicht ausgelöst hat, einen Widerstand von etwa R_si=10Ω. Der Strom I_s ist dann maximal:

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

Am Messwiderstand R_m werden maximal 0,39V=390mV auftreten.

Wenn wir die Stromversorgung einschalten, sehen wir, dass der Strom mit der Zeit abnimmt. Wir können den fallenden Strom bequem mit einem Digitalvoltmeter verfolgen. In etwa 10s ist er auf 100mA gefallen. Die 50mA werden meistens nie erreicht.

Selbst eine Diode vom Typ 1N4148 ist durch die PTC-Sicherung gut geschützt. Auch ein verpoltes IC wird keinen Schaden nehmen.

Aber was ist mit einer roten LED, die versehentlich ohne Vorwiderstand betrieben wird?

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 das aushält?

Wir sind mutig und versuchen es.

Wir haben Glück. Die LED leuchtet sehr hell und verträgt den Strom, den die PTC-Sicherung nach einigen Sekunden auf ca. 100mA begrenzt.

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

• Inzwischen, nach ein paar Minuten, hat die LED ihren Geist aufgegeben.

Wir können also davon ausgehen, dass diese PTC-Sicherung unsere Schaltungen schützt. Trotzdem sollten wir die Stromversorgung so schnell wie möglich unterbrechen, wenn wir einen Fehler feststellen.

Elektronische Sicherung

Eine Elektronische Sicherungen ist einer PTC-Sicherung vorzuziehen.

• Sie begrenzt ziemlich genau auf den eingestellten Strom.

• Sie reagiert in etwa 1µs,

• 1000000-mal schneller als eine PTC-Sicherung.

• Sie hat einen Spannungsabfall von weniger als 100mV,

• Sie kann auch für 20mA und

• größere Ströme ausgelegt werden.

• Sie kann während des Betriebs einfach durch Jumper oder Schalter umgeschaltet werden.

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