Entwicklungsingenieur Elektronik (m/w) Design von elektronischen Vorschaltgeräten für verschiedene LichtquellenTridonic GmbH & Co KG - Dornbirn (Österreich)
Als langjähriger Entwickler von Geräte- und Feinsicherungen bin ich von Kunden häufig nach der Möglichkeit einer „Leiterbahnsicherung“, also einer als Sicherung gestalteten Leiterbahn, gefragt worden.
Natürlich habe ich diese Möglichkeit immer - weil nicht machbar – bestritten.
Heute, im Ruhestand und nach einigen Vorversuchen bei einer Leiterplatten-Firma, sehe ich das etwas differenzierter. Einerseits ist eine Sicherung ein sehr komplexes Bauteil mit hohen Anforderungen an Funktion Sicherheit. Andererseits ist eine Sicherung eine „Sollbruchstelle“ die – bei Chipsicherungen – aus einer Leiterbahn besteht die z.T. auch auf Leiterplattenmaterial realisiert wird.
Das Geheimnis liegt in der konstruktiven Gestaltung dieses „Leiterbahn“-Bereichs und seines direkten Umfelds.
Natürlich sind – heute kann ich es sagen – Leiterbahnsicherungen möglich. Ihre Nachteile der fehlenden Normung und des sicherlich begrenzten Einsatzbereiches werden durch die Möglichkeit der individuellen Anpassung an die geforderten Schutzbedingungen und die entfallenden Lötstellen aufgewogen.
Gerade die genannten Vorteile sind im Sinnen eines optimalen Brandschutzes aber wichtig.
Warum also nicht zum individuell optimierten Schutz zurück wie es in den Anfängen der Sicherungen üblich war.
Zur Diskussion möchte ich also die Frage stellen:
Sind Leiterbahnsicherungen sinnvoll und welches Einsatzgebiet können sie finden???
Atze-Ton
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Verfasst am: 23.11.2008, 15:36
Titel:
Hallo Schmelzleiter,
also prinzipiell kann ich mir dies gut vorstellen, allein der Nutzen davon ist für mich persönlich nicht wirklich hoch. Liegt zum einen daran, das eine Leiterbahnsichung nicht reparierbar/ austauschbar ist und zum anderen ist die Dimensionierung auf einen bestimten "Abrauch-Wert" in der Praxis schwierig. Die Leiterplattenfertigung ist ein Toleranzbehafteter Prozess, wo man eben nicht auf den Micrometer genau sagen kann, wie breit eine Leiterbahn ist und wieviel Kupfer beim Kontaktieren aufgebaut wird. Damit dies nicht falsch verstanden wird, die Toleranzen sind nicht groß, aber eben vorhanden (sonst könnte man ja auch keine Impedanzen realisieren, hier beträgt die Standart-Toleranz +/- 10%)! Und diese Toleranzen sind von Leiterplattenhersteller zu Leiterplattenhersteller durchaus unterschiedlich, d.h. beim Wechsel des Leiterplattenherstellers bekomme ich im Extremfall eine Sicherung, die bei einem anderen Wert als berechnet abraucht.
Allein die Tatsache, das diese Art von Sicherung nicht austauschbar ist, schließt sie (für mich jedenfalls) in der Praxis von einer Verwendung aus.
Die Aufgabe einer Sicherung besteht ja darin, die dahinterliegende Schaltung zu schützen. Wenn aber die Sicherung nicht austauschbar ist, so wird die zu schützende Schaltung auch nicht mehr funktionieren - je nachdem, was auf der Leiterplatte an Werten in Form von Bauelementen verbaut wurde eine teure "Sparmaßnahme".
Fazit:
In meinen Augen haben Sie die Kunden richtig beraten wenn Sie von einer Leiterbahnsichung abgeraten haben !
Sicherlich gibt es auch für LB-Sicherungen Anwendungsbereiche, die Sinn machen. Mir fällt zwar keiner ein, aber vielleicht jemanden in diesem Forum ....
Gruss Atze-Ton
Schmelzleiter
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Verfasst am: 23.11.2008, 22:03
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Hallo Atze-Ton,
erstmal Danke für den Beitrag. Das Argument der "fehlenden" Austauschbarkeit ist rel. alt und aktuell nicht so ganz zutreffend. Als auf der "electronika" in München 1986 der erste SMD-Sicherungschip (Größe 1812) vorgestellt wurde war der allgemeine Tenor "was soll man mit einer Sicherung die nicht austauschbar ist?". Heute werden millionen Chipsicherungen bis zur Größe 0603 hinab (0204 ist in Arbeit) eingesetzt die, von der Praxis aus gesehen, nicht austauschbar sind (weil es kaum Jemand tun wird). Dafür lassen sich mit "Leiterbahnsicherungen" leicht Arrays aufbauen die das Manko der fehlenden Austauschbarkeit sicher mehr als kompensieren.
Aber darum geht es eigentlich auch nicht. Die Brandstatistik des ISF zeigt deutlich, dass genormte, austauschbare Sicherungen häufig ihre Aufgabe, den Brandschutz, nicht erfüllen. Das ISF kommt zu dem Schluß, dass der Schutz gegen Überstrom erheblich verbessert werden muß. Da ist der Bequemlichkeitsfaktor "Austauschbarkeit" sicher nachrangig.
Was wir brauchen sind inteligentere Lösungen im Überstromschutz als die "Beruhigungspille Sicherung" für den Schaltungsdesigner.
Was ich mir wünsche ist mehr Verantwortungsbewußtsein und mehr Auseinandersetzung mit dem Funktionsprinzip "Schmelzsicherung" beim Anwender.
LG Schmelzleiter
Atze-Ton
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Verfasst am: 23.11.2008, 23:03
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Nochmals Hallo Schmelzleiter,
von was für eine Art von zu schützenden Geräten sprechen wir ? Also ich sehe vor meinem geistigen Auge gerade ein vollgepacktes Board aus dem Kommunikations-Bereich, die doch einen erheblichen Wert haben. Ich kann mir einfach nicht vorstellen, das man selbiges wegen eines defekten Sicherungselements in der Tonne entsorgt.
"Dafür lassen sich mit "Leiterbahnsicherungen" leicht Arrays aufbauen die das Manko der fehlenden Austauschbarkeit sicher mehr als kompensieren"
Nunja, bei dem beengten Platz auf den Boards von heute ist das nicht wirklich erwünscht. Arrays verbrauchen zu viel Platz, und irgendwann verabschiedet sich auch das letzte Element im Array. Ein Array hat für mich weiterhin den Nachteil, das man jemanden eine Lötbrücke setzen muss, wenn eine Sicherung abgeraucht ist. Derselbe könnte auch ein Bauteil austauschen.
Allerdings sehe ich schon einen gewaltigen Unterschied zwischen einer LB-Sicherung und einen wie auch immer geartetem Bauteil in welcher Grösse auch immer. Ein Bauteil muss für einen bestimmten Einsatz spezifiziert sein und wird Tests unterzogen, damit ein Bauteil sich so verhält wie gewünscht. Bei einer LB-Sicherung sind die Toleranzen sicher grösser, ich weiss allerdings nicht, ob bei Sicherheitskritischen Anwendungen die bereits erwähnten +/-10% akzeptabel sind.
Man kann, wenn ich mich nicht irre, ausserdem keine "Träge" oder "Flinke" LB-Sicherungen realisieren.
Was ist eigentlich mit der guten, alten Fi-Sicherung ?
Gibt es sowas auch für Leiterplatten ?
Gruss Atze-Ton
Schmelzleiter
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Verfasst am: 24.11.2008, 11:29
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Hallo Atze-Ton,
also ich kann zwar auch nicht sagen ob SMD-Chip-Sicherungen in der Praxis ausgetauscht werden. Sie sind aber zumindest nicht für den Austausch gedacht. In solchen Fällen werden i.d.R. Sicherungen mit Halter (auch auf dem Board) eingesetzt.
Wenn ich bei Kunden so mitbekommen habe, dass in einem TV bis zu 8 und in einem DVD-Laufwerk bis zu 5 SMD-Sicherungen eingesetzt werden (oder wurden, den Stand 2008 kenne ich nicht so gut) dann war die Frage nach Sicherungs-Arrays schon verständlich (natürlich in SMD und als diskretes Bauteil). Da wäre auf der Leiterplatte schon eher zu miniaturisieren.
Die Exemplarstreuung bei Sicherungen liegt übrigens bei +-15% (Chargenstreuung noch nicht eingerechnet). Kleinere Streuungen sind bei Chip-Sicherungen wie auch bei LB-Sicherungen durch Abgleich möglich. Macht aber keiner weil nicht gefragt obwohl das den Schutz erheblich verbessern würde. Und natürlich sind auch träge LB-Sicherungen möglich (flink bzw. superflink sind sie sowieso).
Sicherungen sind so spezifiziert, dass sie einer bestimmten Norm entsprechen. Ob sie sich damit auch wie in der Applikation gewünscht verhalten - tja, das ist so eine Sache...........Dazu bei Bedarf mehr.
Was ist mit Fi-Sicherung gemeint?? Wenn Fi für FI-Schalter steht ist die Frage damit schon beantwortet. Ansonsten kann ich die Bezeichnung nicht so recht einordnen.
Viele Grüße
Schmelzleiter
Atze-Ton
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Verfasst am: 24.11.2008, 15:22
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Hallo Schmelzleiter,
"Was ist mit Fi-Sicherung gemeint?? Wenn Fi für FI-Schalter steht ist die Frage damit schon beantwortet."
Aha, wieder eine Bildungslücke weniger ! Ich meinte tatsächlich den "FI-Schalter".
"Und natürlich sind auch träge LB-Sicherungen möglich (flink bzw. superflink sind sie sowieso)."
Wie erreiche ich, das Kupfer mal "Träge", mal "Flink" reagiert ? (Bei jeweils gleicher Geometrie)
Gruss Atze-Ton
Schmelzleiter
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Verfasst am: 24.11.2008, 15:56
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Hallo Atze-Ton,
na ja, ein Schalter ist halt ein Schalter und keine Schmelzsicherung. Obwohl: Es gab mal einen "Protensor" der eine Schmelzsicherung mit einem Stromsensor koppelte und eine Auswertschaltung der Firma Vitrohm die dann eine Funktion wie die eines FI realisierte. Aber das ist Schnee von Gestern.
"Wie erreiche ich, das Kupfer mal "Träge", mal "Flink" reagiert ? (Bei jeweils gleicher Geometrie) "
Tja, das Funktionsprinzip ist etwas komplizierter aber einfach ausgedrückt könnte man das so beschreiben: Bei Schmelzsicherungen wird das mit einer def. Menge Sn an der richtigen Stelle erreicht. Eine Beschreibung der Wirkungsweise würde diesen Rahmen hier sprengen weil erst viel Wissen über die Funktion der Schmelzsicherung vermittelt werden müsste.
Auf der Seite www.schmelzleiter.de (die noch im Entwurf ist und erst 2009 fertiggestellt wird) kann man davon einen ersten, kleinen Eindruck bekommen.
Viele Grüße
Schmelzleiter[color=#][/color]
Atze-Ton
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Verfasst am: 24.11.2008, 22:36
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Hallo Schmelzleiter,
aha, die LB-Sicherung besteht also nicht nur aus Kupfer. So was in der Art hat ich auch im Sinn. Ich seh das aus Sicht des Leiterplattenherstellers, deswegen meine Fixierung auf Kupfer.
Ich bin überrascht, wie komplex diese Thematik doch ist, wie ein Blick auf Ihren Link beweist. Werde mich über diese Thematik mal näher informieren.
An dieser Stelle wäre ich dankbar für ein paar Layout-Tips, man kann hier vermutlich viel falschmachen....
Einige Bilder, wie das fast abgefackelte Steckernetzteil, kommen mir ziemlich bekannt vor. Und nicht nur von billigen Geräten, Stichwort Pertinax Platinen. Mein alter 22'er Monitor hat sich auf ähnliche Weise verabschiedet.
Gruss Atze-Ton
Schmelzleiter
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Verfasst am: 25.11.2008, 20:48
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Hallo Atze-Ton,
also eine träge LB-Sicherung besteht oft im Wesentlichen schon aus Cu aber eben nicht nur.
Es ist richtig, dass das Thema sehr komplex ist (schließlich hat es mich viele Jahre beschäftigt). Daher lassen sich auch keine allgemeinen Layout-Tips geben. Je nach gewünschtem Nennstrom, Kennlinie oder anderen Eigenschaften variieren notwendige Layout´s. Die Abbildungen von SMD-Sicherungen der Firma Littelfuse zeigen das - glaube ich - sehr schön (http://www.littelfuse.de/cgi-bin/r.cgi/de/prod_series.html?SeriesID=2877&LFSESSION=C5a2QNYmk6).
Aber ich werden voraussichtlich ab Januar 2009 ein Projekt zur LB-Sicherung begleiten und da werden noch Anwendungen (und Anwender) gesucht für die ein angepasster Überstromschutz interessant ist. Jeder Beitrag zu Anforderungen und Wünschen ist Interessant.
Wenn es Möglichkeiten eines Dialogs gibt würde ich gerne die Gelegenheit nutzen um weiter und gemeinsam zu lernen.
Viele Grüße
Schmelzleiter
Atze-Ton
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Verfasst am: 25.11.2008, 22:08
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Hallo Schmelzleiter,
da hab ich mich wohl etwas "verquert" ausgedrückt. Ihnen als Entwickler von Sicherungen ist im Laufe der Jahre doch sicher einiges unter die Augen gekommen, was Layouttechnisch falsch war, im Zweifelsfall Brandbeschleunigent. Dinge, wo Sie sagen:Das geht so nicht ! Gibt es da Fallen, wo ich als Layouter reinfallen kann ?
Gruss Atze-Ton
Schmelzleiter
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Verfasst am: 26.11.2008, 11:50
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Hallo Atze-Ton,
die Frage war schon ganz in Ordnung aber eine universelle Antwort ist halt auch recht schwierig und in der hier notwendigen Kürze kaum zu geben.
Natürlich macht den Schmelzleiterbereich in der Leiterbahn (ob auf einem Chip oder direkt eingebracht) eine Konzentration der Schmelzwärme aus, den hot spot. Besonders auf Leiterplattenmaterial z.B. FR4 muß die Schmelzwärme auf der Fläche möglichst eng begrenzt werden. Zuleitungen und andere Wärmeleiter und -kapazitäten dürfen im Ansprechbereich nicht zuviel Wärme ableiten bzw. nicht zu schnell aufnehmen. Wenn der Abschmelzvorgang zu lange dauert wird das Leiterbahnmaterial verkohlt, es bilden sich leitende Kohlenstoffbrücken die dann die Platine in Brand setzen können oder Chipsicherungen (die i.d.R. auf Keramik aufgebaut sind) sich auslöten.
Das ganze kann man näherungsweise berechnen wie auf der Seite Schmelzleiter erläuter. Der Rest ist Erfahrung und Versuch. Materialien die den hot spot abdecken sind auch nicht ohne. Wenn überhaupt sollten sie min. UL94-V0 entsprechen. Aber auch dann: Vorsicht, die Temp. beim Abschmelzen ist enorm. Auch da ist Rth und Cth des Materials wichtig.
Das Thema füllt locker einen Schulungsnachmittag wenn man bei den Grundlagen bleibt.
Allgemein kann man sagen, dass ohne fachliche Beratung oder Schulung (im Sinne von Hilfe zur Selbsthilfe) erst garnicht der Versuch unternommen werden sollte eine LB-Sicherung zu konstruieren.
Das ist schon öfter versucht und immer wieder aufgegeben worden (siehe FED-Forumsbeiträge 2005). Ohne arrogant wirken zu wollen: aber das ist halt kein Thema für Sicherungs-Laien. Es würd ja auch kein Schaltungsdesigner auf die Idee kommen eine Chipsicherung selbst zu entwerfen (obwohl, soooo schwer ist das auch nicht, wenn man weis wie es geht - wie immer im Leben).
Viele Grüße
Schmelzleiter
pnp-Schnitzel
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Verfasst am: 29.11.2008, 19:58
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Hallo Schmelzleiter und alle anderen Interessierten!
Beim Wort "Schmelzleiter" fiel mir ein Tipp ein, den mir ein lieber Kollege vor einiger Zeit gegeben hat.
Die Frage die sich ein Layouter gelegentlich stellen muss, ist ja genau andersherum: wann brennt die Leiterbahn, die zu einer Sicherung führt NICHT ab?
Die üblichen Tabellen und Graphiken gehen immer von einem DC-Dauerstrom aus und geben eine Erwärmung der Leiterbahn bei diesem Dauerstrom an. Wenn die Sicherung aber ihren ureigensten Zweck zu erfüllen hat, ist die Annahme "DC" nicht haltbar.
Eine Formel zur Berechnung der Erwärmung einer Leiterbahn im Kurzschlussfall, geht aber von einer sehr kurzen Zeit bis zum Abschalten des Stroms durch die Sicherung aus. So lange sollte die Leiterbahn durchhalten, sonst war der Schutz durch die Sicherung nicht gegeben.
Also ein adiabater Fall, heisst: Keine Wärmeabgabe an die Umgebung, nur die Leiterbahn erwärmt sich.
Eine solche Formel lautet: Temperaturerhöhung =
-1/alpha+EXP(i^2*alpha*R_l*t/(m_l*ccu))*_C1
alpha ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Kupfer: 4,3e-3 [1/K]
i ist der Strom
R_l ist der Widerstandsbelag der Leiterbahn [Ohm/m]
t ist die Zeitdauer des Stromflusses
m_l ist der Massebelag der Leiterbahn [kg/m]
ccu ist die spezifische Wärmekapazität von Kupfer [W s / K kg]: 400
_C1 ist eine Konstante für die Differentialgleichung: 1/alpha
Der Widerstandbelag berechnet sich aus: Resistivität von Kupfer / (Leiterbahnbreite * Leiterbahndicke)
Resitivität von Kupfer: 1,7e-8 [Ohm m]
Der Massebelag berechnet sich aus der Dichte von Kupfer mal dem Querschnitt der Leiterbahn
Dichte von Kupfer ist: 8930 [kg/m^3]
Ich habe mir den ganzen Formelwust in eine Tabellenkalkulation eingegeben und kann nun die bekannten Werte eingeben und erhalte eine Temperaturerhöhung, die bei der Zeit t die der Strom durch meine Leiterbahn der Kupfer-Dicke d und der Breite b fliesst entsteht.
Interessant ist, dass die Länge der Leiterbahn keine Rolle spielt.
Beispiel:
Strom: 40A, Zeit 0,05 Sekunden; Leiterbahn Breite 2mm Dicke 35µm ergibt eine Temperaturerhöhung von 92,26 Kelvin.
Da keine Energieabgabe an die Umgebung berücksichtigt wird, ist die Formel nur für kurze Zeiten t brauchbar und daher lässt sich damit eine "Leiterbahnsicherung" nur annähernd abschätzen, vermute ich.
Kommentare erwünscht!
Grüßle,
pnp-Schnitzel
Schmelzleiter
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Verfasst am: 30.11.2008, 13:23
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Hallo pnp-Schnitzel,
eine interessante Berechnung. Muss ich mich mal näher mit beschäftigen. Besonders ob und wie sich die Tatsache bemerkbar macht, dass die temp. Koeffizienten i.d.R. nur bis etwa 200°C linear sind. Aber da man sich bei Abschmelzzeiten von 50ms ja stark dem adiabatischen Bereich nähert ist das ggf. gar kein Problem. In diesem Zeitbereich spielt die Länge der Leiterbahn sicher kaum noch eine Rolle und man könnte auch bereits den I^2t-Wert in die Berechnung einbringen (gibt die notwendige Abschmelzenergie des Strompulses an - wird üblicherweise bei Sicherungen angegeben).
Richtig ist natürlich dass der DC-Dauerstrom kein Thema ist (wenn alles dafür ausgelegt ist). Der Problematische Bereich der eine LP zum brennen bringen kann ist das Abschmelzen im Sekundenbereich (das trifft übrigens auf viele Schmelzsicherungen zu).
Also Dauerstrom- und Kurzschlußbereich sind in der Regel kein Problem und lassen sich gut beherschen (im Kurzschluß sollte man aber einen möglichen Abschaltlichtbogen bedenken der sich dramatisch auswirken kann). Aber wenn man den Sekundenbereich ausklammern kann ist das alles rel. einfach.
Es gibt übrigens etliche Diplomarbeiten und Dissertationen die die Berechnung von It-Kennlinien der Schmelzleiter und die Erwärmung der Umgebung zum Thema haben. Je nach Ansatz ist die Brauchbarkeit jedoch begrenzt. Reine Wärmebetrachtungen beziehen zwar das ges. System ein (Finite-Elemente) werden jedoch im Kurzzeitbereich ungenau und von vielen Randbedingungen abhängig. Die Berechnung über Spline-Funktionen kann nur auf Basis von empirischen Werten möglich.
Je nach Aufgabenstellung müssen also versch. Ansätze betrachtet und ggf. kombiniert werden.
Insofern ist der Beitrag von pnp-Schnitzel sehr hilfreich und ist es Wert untersucht zu werden - oder gibt es da schon Ergebnisse aus der Praxis??
Gruß
Schmelzleiter
Schmelzleiter
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Verfasst am: 30.11.2008, 15:12
Titel:
Hallo zusammen,
ich möchte gerne nochmal auf das Eingangsthema zurückkommen.
Ich halte nach wie vor LB-Sicherungen für möglich und in mehrfacher Hinsicht auch für sinnvoll. Da wo sie möglich sind sehe ich folgende Vorteile:
- angepasster Überstromschutz und ggf. weniger Gerätebrände
- weniger Lötstellen (sowohl in als auch an einer Sicherung) und damit
weniger potenzielle Fehlerquellen
- geringere Streuungen durch LB-Abgleich
- nach einmaliger Entwicklungsleistung keine Abhängigkeiten vom
Zulieferer und von Normen (obwohl zertifizierbar)
- kreative Gestaltungsmöglichkeiten z.B. durch Mehrfachnutzen
Mehr fallen mir ad hoc nicht ein aber vielleicht ja euch.
Obwohl viel know how von den Sicherungsherstellern übertragen werden kann ist damit noch nicht die Entwicklung der notwendigen Grundlagen getan.
Wenn es also möglich wäre allgemeine Regeln für das Design von LB-Sicherungen zu finden, ziehen dann die genannten Vorteile?
Insofern ist der Beitrag von pnp-Schnitzel sehr hilfreich und ist es Wert untersucht zu werden - oder gibt es da schon Ergebnisse aus der Praxis??
Hallo alle Interessierten,
Ergebnisse aus der Praxis zu der von mir eingestellten Formel gibt es in so fern, als der Kollege, der mir damals den Tipp gab, sagte, dies sei die einzige Formel, die funktioniert habe.
Das Problem bestand damals darin, einen Messkreis auf einer Leiterplatte zu routen, der zu einer elektronischen Sicherung gehörte. Die Zeit, nach der die Sicherung den Stromfluss unterbrechen wird war bekannt, der Strom auch und die Frage war, wie muss die Leiterbahngeometrie ausgelegt werden, damit die Leiterbahn nicht schon weggebrannt ist, bevor die Sicherung auslöst.
Einfach so breit wie möglich ist aus Platzgründen nicht erstrebenswert, die Formel liefert auch durchaus moderate Breiten, besonders bei kurzen Abschaltzeiten, eine "intuitiv" ausgelegte Leiterbahn wäre sicherlich breiter geraten.
Noch ein Kommentar zu folgernder Aussage von "Schmelzleiter": (Zitat: "Wenn es also möglich wäre allgemeine Regeln für das Design von LB-Sicherungen zu finden, ziehen dann die genannten Vorteile?")
Wenn ich eine Leiterplatte gestalten würde, in der nur eine LB-Sicherung und keine "echte" Sicherung als Bauteil vorhanden ist, hätte ich bedenken, ob das Gerät eine Zulassung nach CE erhalten könnte. Meine Auslegung der LB-Sicherung kann ja nicht nach Methoden erfolgen, die eine Norm vorschlägt und daher bleibt das Risiko dann ganz beim Hersteller des Gerätes.
Ich würde eine Leiterbahnsicherung einsetzen, die einen zusätzlichen Schutz bietet, an einer Stelle, an der keine "echte" Sicherung gefordert ist. Z.B. an einem Signaleingang; falls dann eine unzulässige Spannung dort angelegt wird, die zum Kurzschluss im Gerät führt, kann die LB-Sicherung dann ein komplettes Abbrennen des Gerätes verhindern. Da hat die LB-Sicherung dann einen Sinn, da an den Katastrophenfall gedacht wurde und keine zusätzlichen Kosten entstehen. Sonst kommt der Vorwurf, man würde mal wieder mit Gürtel UND Hosenträgern unterwegs sein.
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