Automotive / AEM Components Wie sicher sind SMD-Sicherungen?

Durch die Konvergenz von immer leistungsfähigerer Elektronik und immer größerer Energiespeicher in Form von Akkus müssen SMD-Sicherungen für moderne Fahrzeuge heute deutlich mehr leisten und zuverlässiger funktionieren als früher. Welche Weiterent­wicklungen hat es bei Einweg­sicherungen gegeben?

von Jeffers Liu, Vice President of Sales and Marketing bei AEM Components.

SMD-Sicherungen sind weit verbreitet und allgemein als zuverlässige Komponente zum Schutz von Schaltungen vor Fehlerzuständen anerkannt. Dies gilt insbesondere für die Unterhaltungselektronik, wo Größe und mechanische Stabilität entscheidend sind. 

Während die meisten Automobile – übrigens auch Nutzfahrzeuge – den Fahrgästen eine angenehme Umgebung bieten, sind die elektronischen Anwendungen im Fahrzeug rauesten Bedingungen wie großen Temperaturschwankungen, Stößen und Vibrationen, Feuchtigkeit, Wasser und Salz ausgesetzt. Traditionell sorgten Flachsicherungen in einem Sicherungskasten unter dem Armaturenbrett für den nötigen Fehlerschutz. Doch zunehmend »intelligentere« und vernetzte Vehikel mit immer mehr eingebetteten und verteilten Elektronikanwendungen verlangen nach einem leiterplattenmontierten Schaltungsschutz. Mit der rasanten Zunahme von Elektrofahrzeugen (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) – zumeist mit leistungsstarken Lithium-Batteriesystemen – ist die Nachfrage nach zuverlässigen Schaltungsschutzkomponenten gegen katastrophale Ausfälle zu einem wesentlichen Faktor geworden. Diese Anwendungen legten den Schwerpunkt auf die Verbesserung der oberflächenmontierbaren Sicherungstechnik.

Die Typen der SMD-Sicherungen 

Wenngleich noch weitere Typen angeboten werden, konzentriert sich dieser Artikel auf die gebräuchlichsten Typen von SMD-Sicherungen: die Solid-Body- und Wire-in-Air-Sicherungen. In ähnlicher Weise wie Chipinduktivitäten und Vielschichtkeramikkondensatoren (MLCCs) werden SMD-Sicherungen in einer Vielzahl von EIA-Standardgehäusen verpackt, deren Größen durch die jeweilige technische Verwendung und die Stromstärken bestimmt werden. 

Solid-Body- oder Chip-Sicherungen werden in vielen platzbeschränkten Anwendungen wie bei tragbaren elektronischen Geräten, in der Unterhaltungselektronik und Festplatten eingesetzt. Die Strombelastbarkeit liegt typischerweise im Bereich von 125 mA bis zu mehreren Ampere. Diese Bauelemente gibt es sowohl in flinken (fast acting) als auch zeitverzögerten Versionen (time lag).

Wire-in-Air-Sicherungen finden sich üblicherweise in Anwendungen mit höheren Betriebsströmen, bei denen eine schnell wirkende Auslösung und bessere Lichtbogenunterdrückung erforderlich sind. Hierzu gehören Batterieladegeräte, Akkupacks und Schaltungen mit sehr hohen Fehlerströmen und höheren Spannungen.

Rückstellbare Sicherungen eignen sich besonders, wenn Überstromzustände auf eine vorübergehende Störung zurückzuführen sind. In vielen Anwendungen jedoch – insbesondere wenn Fehlerströme zu schweren Schäden an anderen Schaltungen oder Systemen führen können – ist die klassische Einwegsicherung immer noch die beste Wahl. Während in vielen Anwendungen herkömmliche clipmontierte Glasrohrsicherungen eingesetzt werden und Flachsicherungen in Automobilanwendungen allgegenwärtig sind, hat der Schritt hin zu einem reduzierten Funktionsumfang und zu verteilten und integrierten elektronischen Funktionen den Bedarf an sehr leistungsfähigen SMD-Sicherungen erhöht.

Die beiden gebräuchlichsten Strukturen für Chip-Sicherungen sind der Mehrschichtkeramik- und der Leiterplattentyp Das Mikrofoto in Bild 1 zeigt einen Vergleich dieser beiden Konstruktionstechniken. Der Keramiktyp auf der linken Seite besitzt eine monolithische Einbrandstruktur (Co-Fired Monolithic Structure) mit zwei eingebetteten Schichten Schmelzmaterials. Bei der Leiterplattenstruktur auf der rechten Seite besteht das Bauelement hauptsächlich aus der Struktur aus Epoxidharz und Glasfasergewebe (FR4). Das Sicherungselement ist mit der Oberfläche der Leiterplatte verbunden und mit einem Schutzpolymer beschichtet.