Schutz für Fahrer-Steuerschaltkonsolen und Kabelbäume
Effizienter Schaltungsschutz
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Effizienter Schaltungsschutz
Mikroschalter mit Carbon-Kontakten
Hersteller von Automotive-Schaltern für Fensterheber-Schaltungen bieten Universalschalter, die sich gleicher maßen in Niederstrom- (mit Managed-Bus-Controllern) und Hochstrom-Anwendungen (direkte mechanische Ansteuerung) einsetzen lassen. Die wichtigste Anforderung für komplexe Anwendungen besteht darin, dass solche Schalter einen sehr niedrigen Widerstand für die erforderliche Steuerspannung bzw. den nötigen Steuerstrom bieten. Dazu verwenden viele Schalterhersteller Betätigungskontakte auf Carbon-Basis. Obwohl diese Kontakte sich prinzipiell für komplexe Anwendungen eignen, muss man die Carbon-Membrane beim Einsatz in nicht-elektronischen Hochstrom-Umgebungen als „zerbrechlich“ ansehen.
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Der in Fensterheber-Steuersystemen verwendete Mikroschalter (Bild 2) hat vier Carbon-Kontakte zur Aktivierung des Fensterheber-Motors und eines Decoders zu Ermittlung der gewünschten Geschwindigkeit und Laufrichtung. Sobald der Kontakt geschlossen ist, begrenzen Pull-down-Widerstände den Stromfluss. Im aktuellen Beispiel beträgt der Nennstrom der Schleife unter normalen Betriebsbedingungen etwa 15 mA.
Da die Carbon-Kontakte das empfindlichste Element in diesem Schaltungskonzept sind, kann ein durch Fehlverdrahtung, das Knicken einer Leitung oder eine Kollision verursachter Kurzschluss die Kontakte mit Masse verbinden, so dass die Pull-down-Widerstände kurzgeschlossen werden. Sobald eine Taste gedrückt wird, kann der Strom sehr schnell ansteigen und die Carbon-Kontakte können ausfallen. Dabei kann es zu Schäden an der Leiterplatte oder ihren Leiterbahnen und womöglich zu einer thermischen Überlastung im Fahrzeug-Innenraum kommen.
Zum Schutz des Versorgungsspannungseingangs nutzt man gelegentlich Sicherungen. Als Einweg-Bauteil muss man die Sicherung nach einem Kurzschluss-Ereignis austauschen. Wäre die beschädigte Sicherung außerdem auf der Leiterplatten-Oberfläche montiert, müsste man die gesamte Leiterplatte reparieren oder austauschen.
Hier bieten sich PPTC-Bausteine als Alternative zum Schutz von Mikroschalter-Schaltkreisen an, da sie rücksetzbar, in kleinem Formfaktor erhältlich und problemlos auf einer Leiterplatte zu verlöten sind. Durch die Installation eines PPTC-Bausteins in Reihe mit dem Schalter lässt sich der Strom bei einem Kurzschluss begrenzen (Bild 3).
Unter normalen Bedingungen hat der PPTC-Baustein einen sehr niedrigen Widerstand. Bei einem Kurzschluss wird der Baustein hochohmig, wobei er den Strom begrenzt und die Carbon-Kontakte sowie die Leiterplatte schützt – Tests an kleinen oberflächen-montierten PPTC-Bausteinen in einem simulierten Szenario mit Kurzschluss zu Masse zeigten, dass die Auslösezeit bei einer Temperatur von 25 °C typisch im Bereich von 20 bis 50 ms liegt. Nach Entfernung des Fehlers sowie Aus- und erneutem Einschalten der Versorgungsspannung geht der Baustein in seinen normalen Funktionszustand zurück.
Überhitzung von LEDs verhindern
Die Fensterheber-Schalter werden bei Nachtfahrten oft durch LEDs beleuchtet. Ein gängiges Design für diesen Fall ermöglicht eine Versorgung und Steuerung dieser LEDs – es besteht aus einem Mikrocontroller mit einigen Transistoren. Dabei können sich die Transistoren bei einem Kurzschluss, aufgrund von Fehlverdrahtung, einer Kollision oder einer fehlerhaften Installation oder Reparatur, überhitzen. Als mögliche Folge dieser Überhitzung können die Transistoren ausfallen. In einer solchen Anwendung kann man PPTC-Bausteine an jedem der Ausgangstransistoren platzieren, wo sie einen Schutz gegen Schäden bieten können, die durch potentiell gefährliche Kurzschlüsse verursacht werden können.
In dieser Anwendung kann man intelligente, eigengeschützte FET-Bausteine anstelle einfacher Transistoren nutzen. PPTC-Bausteine in Kombination mit einfachen Transistoren sind allerdings eine kostengünstigere Option, die ebenfalls guten Schutz bietet.
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