Steckverbinder für Elektro- und Hybridfahrzeuge PPTC vermeidet Lichtbogen

Mit der zunehmenden Verbreitung von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Anwendungen - HGÜ - wie Elektro- und Hybridfahrzeugen, Photovoltaiksystemen und Rechenzentren wächst die Nachfrage nach adäquaten Verbindungslösungen für das Stecken oder Lösen unter Spannung. Mit einem rücksetzbaren PPTC-Baustein lassen sich Lichtbögen in HGÜ-Steckverbindern unterdrücken.

Redundante Hot-Swap-fähige Stromversorgungen für den Telekommunikationsmarkt auf der Basis herkömmlicher Steckverbinderdesigns enthielten zum Beispiel noch so genannte »Opferkontakte« sowie ausreichend Kontaktmasse, um potenzielle katastrophale Schäden am Gerät zu verhindern.

Als aber der Automobilmarkt zu 42-V-Systemen wechseln wollte, erwiesen sich diese traditionellen Vorgehensweisen als unzureichend. Denn bei Spannungen dieser Höhe bilden sich beim Stecken und Lösen der Verbindungen fast unvermeidlich stabile Lichtbögen - eine große potenzielle Gefahr, bei der eine einzige Trennung unter Spannung genügt, um den Steckverbinder zu zerstören.

Wie entsteht ein Lichtbogen?

In der Regel sind die Schaltkreise bei Hot-Swap-Anwendungen gutmütig und darauf ausgelegt, Spannungsspitzen und Überspannungen zu minimieren: So kann beim Stecken der Verbindung zunächst ganz wenig Strom auf der Hauptleitung bereitgestellt werden; danach schalten die Elektronik und Relais die Stromzufuhr voll durch. Bei Trennungen unter Spannung bleiben viele HGÜ-Anwendungen anfällig für Plasmalichtbögen.

Bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Hot-Swap-Verbindungen konzentriert man sich daher nach wie vor auf die Risikominimierung und die Aufrechterhaltung der Systemzuverlässigkeit. Induktivitäten, und seien es nur parasitäre Induktivitäten, in einer von Strom durchflossenen Schaltung sind eine Art Energiespeicher. Diese gespeicherte Energie wird freigesetzt, wenn Kontakte getrennt werden. Eine dadurch erzeugte Spannungsspitze kann sogar wesentlich höher sein als die Systemspannung.

Bild 1 zeigt das Ergebnis eines Tests, in dem ein Relais bei 24 V erregt und dann getrennt wurde. Die Spannungsspitze, die durch die Spuleninduktivität erzeugt wird, beträgt -260 V. Dies ist tatsächlich die Spannung, die getrennt wird. Und so kommt es dazu, dass ein Steckverbinder während einer Trennung unter Spannung schmilzt: Zunächst ist der elektrische Widerstand niedrig.

Beim Ziehen des Steckverbinders sinkt die Normalkraft, sodass sich der Kontaktwiderstand erhöht. Zwischen den sich trennenden Kontakten bildet sich eine Brücke aus geschmolzenem Metall aus. Diese Brücke verdampft explosionsartig, und der Spalt wird mit ionisiertem Metalldampf gefüllt. In der Folge wird der Kontaktüberzug beschädigt, und mit ausreichender Spannung kann sich ein leitendes Plasma in der Lücke bilden, das jedes Material in der Nähe verdampfen lässt. Einzige Hilfe, dass sich der Lichtbogen nicht derartig auswirkt: eine möglichst schnelle Trennung. Zwar sinkt mit steigenden Strömen die Spannung an den Enden des Lichtbogens.

Allerdings stellt auch ein kleiner Lichtbogen in einem elektronischen System eine Gefahr dar. Denn wenn genügend Strom fließt, wird der Lichtbogen größer, was neben Schäden auch eine potenzielle Brandgefahr darstellt.

TE Circuit Protection hat vor kurzen eine neue Steckverbinderlösung für HGÜ-Anwendungen entwickelt, welche die negativen Auswirkungen von Plasmalichtbögen mindert. Bei diesem Design kontaktieren aus Sicherheitsgründen zuerst die Massekontakte, dann die Opferkontakte und zuletzt die Powerkontakte.

Auch das Gehäusedesign unterstützt mit speziellen Eigenschaften den Ablauf der Lichtbogenlöschung.

Zur Lichtbogenunterdrückung enthält der Steckverbinder einen rücksetzbaren PPTC-Baustein (Polymeric Positive Temperature Coeffizient; Kaltleiter aus Polymer). Ein PPTC-Baustein parallel zum Steckverbinder erwärmt sich durch den beträchtlichen Spannungsabfall beim Trennen unter Spannung und geht in einen hochohmigen Zustand über (Bild 2).

Dies begrenzt den Strom und bietet eine sicherere Trennung.

Bild 3 zeigt die Auswirkungen eines Plasmalichtbogens auf zwei Photovoltaik-Steckverbinder in einem Test bei 550 V (DC) und 20 A.

Der Steckverbinder mit integriertem PPTC-Baustein zur Lichtbogenunterdrückung (unten) bestand den Test und blieb funktionsfähig, während der Steckverbinder ohne PPTC (oben) beschädigt wurde.

Funktionsweise des PPTCs

Der PPTC-Schaltungsschutzbaustein besteht aus Verbundmaterial aus semi-kristallinem Polymer und leitfähigen Partikeln und wird in der Automobiltechnik, in portabler Elektronik und in Multimedia-, Telekommunikations- und Datenkommunikationsanwendungen verwendet, um Beschädigungen durch Überstrom und Übertemperatur zu vermeiden. Bei normaler Temperatur bilden die leitenden Partikel im Polymer niederohmige Netzwerke.

Steigt die Temperatur jedoch über die Schalttemperatur (TSw) des Bausteins - entweder aufgrund von hohem Strom durch das Bauteil oder einer Erhöhung der Umgebungstemperatur - schmelzen die Kristallite im Polymer und werden amorph. Durch das Schmelzen vergrößert sich das Volumen und trennt die leitfähigen Partikel, sodass der elektrische Widerstand des Bauteils sich stark nichtlinear erhöht.

Der Widerstand steigt in der Regel um drei oder mehr Größenordnungen. Dies schützt die Geräte im Schaltkreis, indem der Strom, der im Fehlerzustand fließen kann, auf einen ungefährlichen Wert reduziert wird. Der Baustein verbleibt in diesem hochohmigen Zustand, bis der Fehler behoben ist oder die Versorgungsspannung entfernt wird. Dann kühlt sich wird das leitfähige Verbundmaterial ab und rekristallisiert, sodass der PPTC-Baustein von selbst wieder in den niederohmigen Zustand wechselt.

Über den Autor:

Robert Cid ist Engineering Manager bei TE Circuit Protection.