Sekundärer thermischer Schutz Dimmer gesichert

Zuverlässiger, robuster Schaltungsschutz ist ein wichtiger Entwurfsaspekt für Universaldimmer, die in Gebäudewände eingebaut werden. Der Schutz vor thermischer Instabilität (Brand) aufgrund von ausgefallenen Power-MOSFETs verbessert die Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Beleuchtungssystemen. Rücksetzbare, polymerbasierte Sicherungen können eine praktische und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen thermischen Schutzvorrichtungen darstellen.

Meist sind in den heutigen Schaltungen der Industrie- und Unterhaltungselektronik thermische Schutzvorrichtungen verbaut, um Schäden durch Überhitzung zu verhindern und um die Zuverlässigkeit und Sicherheit zu verbessern. Die von ohmschen und induktiven Lasten, Leistungskondensatoren und Treiberbausteinen für MOSFETs, Schalter und Relais erzeugte Wärme stellt die Ingenieure bei der Entwicklung eines zuverlässigen und sicheren Wärmemanagements vor bedeutende Herausforderungen.

In den letzten Jahren sind zahlreiche innovative Technologien aufgekommen, um Entwicklern bei der Implementierung eines thermischen Schutzes zu helfen. Zielsetzung ist dabei, die Anwendung und den Endbenutzer vor zerstörerischer Überhitzung zu schützen, indem der elektrische Stromfluss unterbrochen wird, sobald sich ein bestimmtes Bauteil oder ein Bereich der Platine auf eine bestimmte vorgegebene Temperatur aufheizt.

Herkömmliche Lösungen

Herkömmliche thermische Schutzvorrichtungen sind in einer Vielzahl von Bauformen, Größen und Technologien erhältlich und dafür gedacht, Geräte vor Schäden durch Überhitzung zu schützen. Zwei wichtige Komponenten für diesen Zweck sind Thermosicherungen (Thermal Cutoff, TCO) und Thermoschalter. Beide sind für einen weiten Temperaturbereich mit spezifischen Aktivierungseigenschaften für Gleich- und Wechselstromanwendungen in den Konfigurationen Bolt-in, Clip-on, Pig-Tail oder Lead-Type verfügbar. Allerdings können diese Bausteine den Entwurfs- und Herstellungsprozess erschweren.

Um sicherzustellen, dass sie wie erwartet funktionieren, müssen bei der Handhabung bestimmte Verfahren sorgfältig befolgt werden. Thermosicherungen enthalten typischerweise eine temperaturempfindliche Komponente, beispielsweise eine Niedertemperaturlegierung oder ein Kunststoff/Wachs-Pellet, die oder das einen Federkontakt enthält. Ein solcher Baustein ist normalerweise geschlossen und öffnet sich bei Aktivierung durch eine vorgegebene Maximal- oder Auslösetemperatur. Er ist darüber hinaus nicht rücksetzbar und muss nach dem Auslösen ausgetauscht werden.

Thermische Sicherungen erfordern eine besondere Handhabung beim Herstellungsprozess. Falls diese verlötet oder Anschlussdrähte an die Kontakte gelötet oder geschweißt werden müssen, ist ein Kühlkörper an den Anschlusskontakten anzubringen. Er führt die Wärme von der temperaturempfindlichen Legierung ab, sodass die Sicherung während der Produktion nicht auslöst oder ihre Wirksamkeit bereits vor der Verwendung in der beabsichtigten Anwendung beeinträchtigt wird.

Eine weitere gebräuchliche thermische Schutzvorrichtung sind Thermoschalter. Diese sind für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet und lassen sich als »normalerweise geöffnet« oder »normalerweise geschlossen« konfigurieren. Sobald eine bestimmte Auslösetemperatur erreicht ist, wird der Thermoschalter aktiviert, öffnet sich wie eine thermische Sicherung und unterbricht den Stromfluss. In gleicher Weise lässt sich ein Thermoschalter, der dazu konfiguriert ist, bei Überhitzung zu schließen, dazu verwenden, ein sekundäres Luftströmungsgerät, beispielsweise einen Ventilator, zur Kühlung der Anwendung zu aktivieren. Wird eine bestimmte vorgegebene Temperatur wieder unterschritten, kehrt der Baustein in den Zustand vor der Auslösung zurück.

Beschränkungen

Herkömmliche TCOs sind jedoch nicht wie Standard-Halbleiterbausteine als SMD-Bauformen erhältlich oder lassen sich im Reflow-Verfahren verlöten und erfordern demzufolge ein manuelles Aufbringen. Sie besitzen außerdem niedrige Bemessungsströme, begrenzte Gleichspannungsfestigkeit (meist nur für Wechselspannungen spezifiziert) und sind vibrations- und einbauempfindlich. Bei wiederholtem Betrieb bei Temperaturen knapp unterhalb ihrer Kalibrierungstemperatur oder als Folge exzessiver thermischer Wellen entlang des Gehäuses und der Kontakte der TCOs können Fehlauslösungen aufgrund der Schrumpfung der Pellets auftreten.

Anders als elektrische Sicherungen reagieren ihre thermischen Pendants nur auf überhöhte Temperaturen, nicht auf überhöhte Ströme - es sei denn, der Überstrom ist so hoch, dass sich die thermische Sicherung selbst aufgrund von I2R-Verlusten bis zur Aktivierungstemperatur aufheizt. Thermische Sicherungen kommen auch als ausfallsicherer oder zusätzlicher Reserveschutz zum Einsatz. Sie lösen aus, wenn andere elektrische Sicherheitsvorrichtungen wie Schutzschalter oder herkömmliche Sicherungen versagen. Allerdings können sich die Betriebseigenschaften thermischer Sicherungen aufgrund von Selbsterhitzung oder Betrieb unter hoher Strombelastung mit der Zeit ändern.

In Zeiten angestrebter immer kompakterer SMD-Designs sind die wesentlichen Beschränkungen herkömmlicher thermischer Schutzvorrichtungen, dass diese nicht als SMD-Bauformen verfügbar sind und teure, manuelle Aufbringungsverfahren erfordern, und dass sie versagen können. TE Circuit Protection bietet einen oberflächenmontierbaren thermischen Schutzbaustein mit einem weiten Bereich von Auslösetemperaturen an, der Pick&Place-kompatibel ist und im Reflow-Verfahren unter Verwendung von bleifreien Standard-SMD-Fertigungsprozessen auf die Platine aufgebracht werden kann.

Die »RTP«-Bausteine (Reflowable Thermal Protection) wurden entwickelt, um die gestiegenen Anforderungen hinsichtlich Umweltverträglichkeit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit im Automobil- und Industriebereich zu erfüllen. Dazu gehört die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, Vibrationen, schnelle Temperaturwechsel und Feuchtigkeit. Nach Abschluss des Reflow-Verfahrens ist nur noch eine Aktivierung erforderlich, um den Baustein in Bereitschaft zu versetzen und bei seiner vorgegebenen Auslösetemperatur zu aktivieren.

Ein weiterer Bereich, in dem thermischer Schutz wünschenswert sein kann, sind die PCB-Leiterbahnen selbst. Werden die Leiterbahnen auf der Platine thermisch beansprucht, bilden sich Hot-Spots auf ihnen, die zum Ablösen der Leiterbahn führen können. Sind diese nicht geschützt, kann zerstörerische Überhitzung auftreten. Sorgfältig ausgewählt und in der Endanwendung gründlich getestet, können RTP-Bausteine die Leiterplatten der Platine vor Schäden durch Überhitzung schützen.

Schutz vor thermischer Instabilität

Universaldimmer für die immer beliebter werdenden LED-Beleuchtungssysteme sind in hohem Maße anfällig für Ausfälle von Power-MOSFETs und MOVs, was zu thermischer Überlastung und potenziell zerstörerischen Ereignissen führen kann. Da die meisten Dimmer in Haus- und Gebäudewänden eingebaut sind, ist ein robuster zuverlässiger Schaltungsschutz ein vordringlicher Entwurfsaspekt.

Zum Dimmen von Leuchtmitteln und zur Antriebsregelung werden üblicherweise zwei Power-MOSFETs und Metalloxid-Varistoren (MOVs) zum Schutz der Leistungshalbleiter vor Schäden durch Überspannungen aufgrund von Blitzeinschlag und anderen Ursachen verwendet.

Infolge eines gestiegenen Sicherheitsbedürfnisses setzen Entwickler heute jedoch Thermosicherungen (TCO) auch zur Erkennung von Übertemperaturen ein (sekundärer Überhitzungsschutz). Fällt ein MOSFET in den resistiven Modus oder versagt ein MOV aufgrund erhöhten Leckstroms - was in beiden Fällen zu thermischer Überlastung führen kann - wird der thermische Baustein aktiviert, er schaltet den Strom ab und verhindert somit Zerstörungen.

Wie in Bild 1 gezeigt, kann der RTP-Baustein in Reihe und in direktem thermischem Kontakt mit dem Leistungs-MOSFET geschaltet werden, um die Anwendung vor Schäden aufgrund erhöhter MOSFET-Temperaturen zu schützen. Fällt der Leistungshalbleiter in den resistiven Modus und überhitzt, wird der RTP aktiviert, um ein thermisches Durchgehen zu verhindern. In diesem Beispiel ist der RTP-Baustein (Modell »RTP-140«) für eine Auslösung bei +140 °C bemessen.

Sobald der Baustein im Reflow-Verfahren auf die Platine aufgebracht wurde, muss er nur scharfgemacht werden, um ihn in Bereitschaft zu versetzen. Einmal eingebaut, wird er bei +140 °C aktiviert, um den Strom zu unterbrechen, falls der MOSFET ausfällt und zu einem Übertemperaturzustand führt. Er öffnet somit vor dem Schmelzpunkt des Lötmittels bei +220 °C. Dieser Baustein ist nützlich für, jedoch nicht beschränkt auf, LED-Beleuchtungssysteme und Haushaltselektronik.

Der RTP kann im Reflow-Verfahren auf die Platine aufgebracht und dort in Bereichen mit leistungselektronischen Bauteilen - oder wo immer ein Schutz vor Schäden durch thermische Überlastung erforderlich ist - verwendet werden. Bild 2 zeigt, wie die richtige thermische Kopplung eines RTP-Bausteins dazu beitragen kann, ein bestimmtes Bauteil oder eine bestimmte Anwendung zu schützen.

Äußerst wichtig ist, dass ein direkter thermischer Kontakt zu der potenziellen Wärmequelle besteht, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen. Die Leistungsfähigkeit des RTP-Bausteins basiert auf der Annahme, dass der PTH-Pin des RTP mit dem Haupt-Wärmeanschluss oder dem Kühlkörper des MOSFETs oder eines anderen Bauteils auf einem gemeinsamen Montage-Pad aus Kupfer montiert wird.

Über die Autoren:

Philippe Di Fulvio leitet die Abteilung Anwendungstechnik, Faraz Hasan ist Senior Global Strategic Business Manager für Industrie, Hausgeräte und Beleuchtung, beide bei TE Circuit Protection.