Elektrische Widerstand - Schmelzleiter
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Sicherungstechnik Inhalt Sicherungstechnik • • • • • Widerstand Zeit-Strom-Kennlinie I²t-Wert Ausschaltvermögen Wärmehaushalt Definition einer Sicherung Unter einer Sicherung versteht man in der Elektrotechnik eine Schutzvorrichtung, die einen Stromkreis beim Auftreten eines Fehlerstromes selbsttätig schaltet. Es ist eine im Zuge der Leitung liegende „Schwachstelle“, die diese bei unzulässig hohen Fehlerströmen durch Abschmelzen schützt. Definition elektrischer Widerstand Zwischen den Enden eines Leiters liege die Spannung U, die Stromstärke in ihm sei I. Dann definiert man als Widerstand des Leiters den Quotienten: U R I Die Einheit des elektrischen Widerstands ist 1 Volt/Ampere = 1 Ohm Ohmsches Gesetz U R I Strom Widerstand Spannung Der spezifische Widerstand Der Widerstand R eines Drahtes der Länge l und der Querschnittsfläche A aus einem Material mit dem spezifischen Widerstand ist: l R A Elektrische Widerstand R = (T) l A Länge Widerstand = spezifischer Widerstand Querschnittsfläche Elektrische Widerstand für Schichtsicherungen R = (T) Widerstand = spezifischer Widerstand l b * d Länge Breite * Dicke Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Der spezifische Widerstand und somit auch der Widerstand von Metallen nimmt im allgemeinen beim Erwärmen zu. Bei Konstantan bleibt er konstant! Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes (T ) 20 * (1 (T 20C )) 20 spezifischer Widerstand bei 20 °C Materialspezifischer Temperaturkoeffizient Kennlinie 446 1A Zeit-Strom-Kennlinie Erklärung Zeit-Strom-Kennlinie Grenzstrom Nennstrom Übergangsbereich Kurzschlußbereich Strom, bei dem der Schmelzleiter nach unendlich langer Zeit schmilzt. Strom, den die Sicherung ohne Schaden zu nehmen unendlich lange haben darf (ist von der Definition der Norm abhängig) Wird von dem Aufbau der Sicherung bestimmt Strom, bei dem der Schmelzleiter innerhalb kurzer Zeit schaltet (Bestimmung des I²t-Wertes) Temperaturabhängigkeit der I-t-Kennlinie Definition des I²t-Wertes In dem Kurzschlußbereich treten hohe Ströme auf, daß der Schmelzleiter in Millisekunden schmilzt. Diese Zeit ist zu kurz, um Wärme an die Umgebung abgeben zu können. Dieser Bereich wird nur von dem Material und der Dicke des Schmelzleiters bestimmt. I²t-Wert I ²t c * A² Für Schichtsicherungen gilt: I ²t c * (b * d )² I ²t d ² Bestimmung des I²t-Wertes Der I²t-Wert wird im Kurzschlußbereich bei 10mal des Nennstromes bestimmt. Der Wert des I²t-Wertes gibt auch über die „Charakteristik“ der Sicherung, d.h. ob die Sicherung „träge“ oder „flink“ ist, Auskunft. Charakteristik der I-t-Kennlinie Kennlinie 446 1A Definition Ausschaltvermögen Beim Ausschaltvermögen einer Sicherung wird die Sicherung mit dem maximalen Strom, der z.B. bei einem Kurzschluß auftritt, bei Nennspanung belastet. Hierbei muß die Sicherung ohne auszublasen/explodieren schalten. Wärmehaushalt der Sicherung I Wird Energie in Form von Strom (=Wärme) in einen unverzinnten Draht/Schicht eingebracht, die so groß ist, daß die Schmelztemperatur des Materials erreicht wird, lösen sich Atome aus dem Draht/Schicht heraus, der Draht/Schicht schmilzt. Wärmehaushalt der Sicherung II Wird Energie in Form von Strom (=Wärme) in einen verzinnten Draht/Schicht eingebracht, so sorgt der geringere Schmelzpunkt des Zinnes, daß sich der Draht/Schicht in dem Zinn auflöst (wie eine Zuckerstange in heißem Kaffee). Dieser Prozeß wird Diffusion genannt. Hierdurch hat das Materialgemisch einen niedrigeren Schmelzpunkt, es schmilzt eher. Dieser Draht/Schicht hat trägere Eigenschaften. Prinzip der Diffusion Sn (MP 232 °C) Ag (MP 960,5 °C) Sn Sn/Ag MP 221 - 724 °C Ag (MP: Schmelzpunkt) Wärmehaushalt der Sicherung III Wird Energie in Form von Strom (= Wärme) in einen verzinnten gewickelten Draht eingebracht, so sorgt jede Windung bei der Nachbarwindung dafür, daß der Draht (bei gleichem Strom) heißer wird, die Diffusion schneller von statten geht. Hierdurch schmilzt der Draht noch eher. Dieser Draht hat träge Eigenschaften. Was entspricht bei Schichtsicherungen dem gewickelten verzinnten Draht? 446 Heizwiderstand 456 verzinnter Mäander Charakteristik der I-t-Kennlinie Wärmehaushalt Schicht-Sicherungen: LTCC / Al2O3 Die Wärmeleitfähigkeit ist bei der Glaskeramik kleiner als bei der Al2O3-Keramik. Aus diesem Grund werden die Sicherungen aus Glaskeramik im Zentrum heiß und leiten die Wärme nicht nach außen ab. Wärmehaushalt 441: LTCC / Al2O3 Wärmebildkamera *>88,0°C 85,0 80,0 75,0 Glaskeramik 70,0 65,0 60,0 55,0 Area4 Min Mean Max 22,5 35,4 74,3 Area3 Min Mean Max 22,5 35,4 108,7 50,0 45,0 Al2O3 Nr.2 *<44,2°C Typ: 441 Iprüf 1,25A Kameraeinstellungen: Range2 (15°C ... 120°C) = 0,85 Begriffserklärung LTCC / HTCC LTCC: Low Temperature Cofired Ceramic Einbrenntemperatur: 850 °C Glaskeramik HTCC: High Temperature Cofired Ceramic Einbrenntemperatur: 1200 °C Al2O3 (Aluminiumoxid)
