Eine der praktischsten und lohnendsten Anwendungen eines PTC-Thermistors ist die Erstellung einer rücksetzbaren Überstromschutzschaltung. Ob Sie als Hobbybastler ein neues Projekt schützen oder als Ingenieur ein Design sicherer gestalten möchten – die Verwendung eines PTC als „Polyfuse“ ist unkompliziert und äußerst effektiv. Diese Anleitung führt Sie durch den Entwurf und die Implementierung einer einfachen Schaltung zum Schutz Ihrer Elektronik.
Das Ziel: Eine Last vor Überstrom schützen
Unser Ziel besteht darin, eine wertvolle Last (z. B. einen Motor, einen Sensor oder eine Mikrocontrollerplatine) vor Schäden zu schützen, wenn aufgrund eines Fehlers oder eines Kurzschlusses zu viel Strom durch sie zu fließen versucht.
Warum ein PTC? Im Gegensatz zu einer Einwegsicherung wird ein PTC-Thermistor nach Behebung des Fehlers und Abkühlung automatisch zurückgesetzt, sodass Sie ihn nicht ständig austauschen müssen.
Schritt 1: Auswahl des richtigen PTC-Thermistors
Die Auswahl der richtigen Komponente macht 90 % der Designarbeit aus. Sie müssen das Datenblatt eines Herstellers (von Anbietern wie TDK, Murata oder Bourns) konsultieren und nach diesen Schlüsselparametern suchen:
Haltestrom (I <sub> hold </sub> ): Der maximale Strom, mit dem der Stromkreis normalerweise arbeitet. Der PTC muss diesen Strom unbegrenzt fließen lassen, ohne auszulösen. Wählen Sie einen PTC mit einem Haltestrom, der etwas höher ist als der normale Betriebsstrom Ihres Stromkreises.
Beispiel: Wenn Ihre Last normalerweise 500 mA zieht, wählen Sie einen PTC mit einem I <sub> hold </sub> von 550 mA oder 600 mA.
Auslösestrom (I <sub> trip </strong> ): Der Mindeststrom , bei dem der PTC in einen hochohmigen Zustand übergeht. Dies geschieht typischerweise bei einer bestimmten Temperatur und wird oft mit 20 °C oder 25 °C angegeben.
Hinweis: Der Auslösestrom ist immer deutlich höher als der Haltestrom (oft 2x).
Maximale Spannung (V <sub> max </sub> ): Die maximale Spannung, die der PTC im ausgelösten Zustand aushalten kann, ohne dass es zu Lichtbogenbildung oder Durchschlag kommt. Stellen Sie sicher, dass diese Spannung höher ist als die Spannung Ihrer Stromversorgung.
Maximaler Strom (I <sub> max </sub> ): Der absolute maximale Fehlerstrom, dem der PTC standhalten kann, ohne zerstört zu werden.
Widerstand (R <sub> min </sub> /R <sub> max </sub> ): Der Anfangswiderstand bei 20 °C. Ein niedrigerer Widerstand bedeutet weniger Leistungsverlust und Spannungsabfall im Normalbetrieb.
Schritt 2: Der Schaltungsentwurf
Die Schaltung selbst ist bemerkenswert einfach. Der PTC-Thermistor wird in Reihe mit der Last auf der positiven Stromschiene platziert.
So funktioniert es:
Normalbetrieb: Strom fließt von V <sub> CC </sub> durch den PTC (niedriger Widerstand) zur Last und zurück zu GND. Der Spannungsabfall über dem PTC ist minimal (V <sub> drop </sub> = I * R <sub> PTC </sub> ).
Fehlerzustand (Überstrom/Kurzschluss): Zu hoher Stromfluss erhitzt den PTC. Er erreicht schnell seinen Curiepunkt und „löst“ aus, wodurch sich sein Widerstand um den Faktor 1000 oder mehr erhöht. Dieser hohe Widerstand begrenzt den Strom im Stromkreis drastisch auf ein winziges, sicheres Rinnsal (I <sub> Leckage </sub> ) und schützt so die Last.
Zurücksetzen: Sobald der Fehler behoben ist (z. B. der Kurzschluss behoben ist) und die Stromversorgung wieder eingeschaltet wird, kühlt der PTC ab. Sein Widerstand sinkt wieder auf seinen niedrigen Wert und der Stromkreis nimmt automatisch den Normalbetrieb wieder auf.
Schritt 3: Praktische Überlegungen und Layout
Platzierung: Platzieren Sie den PTC so nah wie möglich am Stromeingangsanschluss. Dies schützt alles nachgeschaltete Gerät.
Umgebung: Bedenken Sie, dass die Auslösezeit von der Umgebungstemperatur beeinflusst wird. Eine heiße Umgebung kann dazu führen, dass der PTC bei einem niedrigeren Strom auslöst.
Verlustleistung: Im ausgelösten Zustand weist der PTC einen erheblichen Spannungsabfall auf (nahe der Versorgungsspannung). Dies bedeutet, dass er Wärme abgibt (P = V * I). Stellen Sie sicher, dass Ihr Design ausreichend Platz um den PTC herum bietet, um diese Erwärmung und anschließende Abkühlung zu ermöglichen.
Nicht für Präzision: Dies ist ein robustes, fehlertolerantes Schutzsystem, keine präzise Strombegrenzungsschaltung. Die Last ist ohne Strom, bis der PTC zurückgesetzt wird.
Beispielszenario
Schützen wir einen 12-V-Gleichstrom-Lüftermotor , der normalerweise 0,5 A zieht.
Auswahl: Wir haben uns für einen Bourns MF-R600 PTC entschieden.
Haltestrom (I <sub> hold </sub> ): 600 mA (perfekt für unsere 500-mA-Last)
Auslösestrom (I <sub> trip </sub> ): 1,2 A
Max. Spannung: 30 V (deutlich über unserer 12-V-Versorgung)
Maximaler Strom: 40 A
Anfangswiderstand: ~0,1Ω
Schaltung: Wir platzieren den PTC in Reihe auf der 12-V-Leitung, die zum Motor führt.
Betrieb:
Normal: Spannungsabfall = 0,5 A * 0,1 Ω = 0,05 V. Vernachlässigbar!
Fehler: Wenn der Motor blockiert und 2 A zieht, erwärmt sich der PTC und löst innerhalb von Sekunden aus, wodurch der Strom auf ~10 mA reduziert wird.
Zurücksetzen: Sobald die Verstopfung beseitigt und die Stromversorgung wieder eingeschaltet ist, funktioniert der Lüfter wieder.
Abschluss
Der Einsatz eines PTC-Thermistors zum Überstromschutz ist eine einfache, kostengünstige und äußerst zuverlässige Strategie. Durch die sorgfältige Auswahl einer Komponente basierend auf dem normalen Betriebsstrom und der normalen Betriebsspannung Ihrer Schaltung können Sie eine selbstheilende Sicherheitsebene hinzufügen, die kostspielige Schäden und frustrierende Ausfallzeiten verhindert. Dies ist eine der einfachsten Möglichkeiten, Ihre elektronischen Designs robuster und professioneller zu gestalten.
