Elektrische Widerstand - Schmelzleiter

Sicherungstechnik
Inhalt Sicherungstechnik
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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  20C ))
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)