Bauteil muss bis zu 30 Jahre zuverlässig funktionieren SMD-Sicherung für den Weltraum

Eine Sicherung als Überstromschutz muss bei Anwendungen in der Raumfahrt extrem hohe Qualitätsanforderungen erfüllen. Die Firma Schurter hat sich dieser Herausforderung gestellt und bietet als einziger europäischer Hersteller mit der MGA-S eine SMD-Sicherung an, die eine ebenso lange Lebensdauer aufweist wie ein Satellit: bis zu 30 Jahre.

Bauteil muss bis zu 30 Jahre zuverlässig funktionieren

Eine Sicherung als Überstromschutz muss bei Anwendungen in der Raumfahrt extrem hohe Qualitätsanforderungen erfüllen. Die Firma Schurter hat sich dieser Herausforderung gestellt und bietet als einziger europäischer Hersteller mit der MGA-S eine SMD-Sicherung an, die eine ebenso lange Lebensdauer aufweist wie ein Satellit: bis zu 30 Jahre.

Sicherungen dienen generell als Überstromschutz für Schaltkreise. Sie sorgen dafür, dass im Fehlerfall - z.B. bei einem Kurzschluss - ein Gerät oder ein Stromkreis von der Stromversorgung zuverlässig und kontrolliert getrennt wird. Die Sicherungen können auf der Primär- und/oder auf der Sekundärseite eingesetzt werden. Oft fordern Normen wie IEC oder UL, dass für die Abnahme eines Gerätes beim Kunden mindestens eine Sicherung auf der Primärseite eingesetzt wird.

Verschiedene Lasttypen - ohmisch, kapazitiv, induktiv - stellen unterschiedliche Anforderungen an die Sicherung, welche bei der Auswahl berücksichtigt werden müssen. So müssen z.B. bei kapazitiven Lasten mit Einschaltpulsen, welche typisch für Stromversorgungen mit Gleichrichter und Kondensatoren sind, die Aspekte der Pulsbelastung miteinbezogen und entsprechende Berechnungen durchgeführt werden. Auch für Sicherungen, welche für Raumfahrtanwendungen zugelassen sind, gelten diese generell gültigen Bedingungen und müssen bei einer Dimensionierung berücksichtigt werden. Der Unterschied zwischen einer Sicherung für die Raumfahrt und einer Standardsicherung liegt jedoch an den Anforderungen an das Bauteil selbst: Jedes einzelne Bauteil wird mittels der »Burn-in«-Prozedur ausführlich auf seine sichere Funktion getestet; die Ergebnisse werden protokolliert.

Bauteile, welche in der Raumfahrt verwendet werden, müssen folgende Eigenschaften aufweisen:

  • Hermetisch dichte und robuste Konstruktion, so dass bei einer Unterbrechung kein Funken oder Gase entweichen können.
  • Konsistente minimale und maximale Schmelzzeiten bei Überströmen, unabhängig von der Betriebsart (z.B. im Vakuum). Die rot markierten Dreiecke auf (Bild 1) sind zusätzlich definierte Schmelzzeitpunkte bei entsprechenden Überströmen, welche bei der Standardausführung nicht bestimmt sind.
  • Sichere Unterbrechung von Überströmen bei Nennspannung.
  • Stabile Deratingkurve bei höheren Umgebungstemperaturen am Bauteil.
  • Höhere Beständigkeit gegen mechanische Vibration und Schock am Bauteil.

Die Dünnfilmtechnologie (Metall-Sputter-Verfahren) erhöht durch die homogene Kristallstruktur der Metallschicht die Langzeitbeständigkeit der Sicherungen. Diese Langzeitbeständigkeit wird beeinflusst von Verlustleistung, Alter und Umgebungstemperatur in Kombination mit thermischen Zyklen, welche bei Satelliten sehr häufig sind. Die Technologie der Standardsicherung erfüllt diese Anforderungen an die Langzeitzuverlässigkeit von bis zu 30 Jahren nicht, was vor allem auf die Alterungserscheinungen des verzinnten Schmelzleiters zurückzuführen ist.

Tatsache ist, dass die Ausfallhäufigkeit von Bauteilen am Anfang des Lebenszyklus hoch ist (Bild 2). Ist diese Phase einmal überschritten, weisen solche Bauteile eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren auf, was etwa der Betriebsdauer eines Satelliten entspricht. Ziel der »Burn-in«-Prozedur ist, diese erste Phase im Lebenszyklus der Sicherung zu durchlaufen und diese Fehler auszuschließen. Alle Komponenten der Raumfahrt durchlaufen eine »Burn-in«-Prozedur, die in (Bild 3) bildlich dargestellt ist.

  • Nach dem Produktionsendtest werden für jede einzelne Sicherung Kaltwiderstand und Spannungsfall gemessen.

  • Der »Burn-in« ist eine Kombination eines Strom- und Temperaturtests, der bei jeder einzelnen Sicherung unter folgenden Bedingungen durchgeführt wird:
    • Dauer: min. 168 Stunden
    • Strom: 64 % des Nennstromes
    • Umgebungstemperatur: 80 °C
    • Kontinuierliche Überwachung von Strom und Spannung während des ganzen Tests

  • Nach dem »Burn-in« werden erneut Kaltwiderstand und Spannungsfall für jede Sicherung gemessen. Die Messwerte dürfen max. 10 % abweichen, sonst gilt der Test als nicht bestanden. Sind 5 % der Sicherungen aus einer Serie außerhalb dieser Toleranz, wird das ganze Produktionslos entsorgt und eine neue Serie von Sicherungen produziert.

  • Jede Sicherung wird einer strengen visuellen Prüfung unterzogen, um Materialfehler auszuschließen.

  • Bei jeder Produktionsserie werden zusätzliche Testsicherungen hergestellt, welche auch den »Burn-in« und deren Tests durchlaufen haben. Bei diesen werden Zeit-Strom-Charakteristik- und Lötbarkeitstests durchgeführt, um sicherzustellen, dass diese Eigenschaften immer noch erfüllt werden. Je nach Kundenwunsch können noch zusätzliche Qualifikationstests durchgeführt werden.