LTspice von Vishay Entwicklung einer PTC-basierten Schutzvorrichtung

Funktionsweise eines PTC. Im Arbeitsbereich steigt der Widerstand mit der Temperatur
Funktionsweise eines PTCs

PTCs fristeten in Simulationsprogrammen bislang ein Nischen-Dasein; die Modelle entsprachen nicht dem tatsächlichen Verhalten. Mit den aktualisierten Modellen lassen sich Schutzschaltungen jetzt viel besser dimensionieren. Zwei Anwendungsbeispiele.

Von Alain Stas, Marketing Product Engineer für nichtlineare Bauelemente bei Vishay

Keramikscheiben-PTCs kommen in den meisten Fällen zum Überstromschutz zum Einsatz. Ihre Wirkungsweise ist recht simpel, wie der Verlauf des elektrischen Widerstandes über die Temperatur zeigt (Bild 1).

Bei niedriger Temperatur (niedriger Spannung) ist der Widerstandswert (R) des PTC recht niedrig. Bei Stromstößen, Überspannung oder ansteigender Umgebungstemperatur erwärmt sich das Bauteil. Sobald die Bauteiltemperatur einen kritischen Wert, die sogenannte Schalttemperatur (Ts) überschreitet, steigt sein Widerstand abrupt an. Ts wird durch das Material bestimmt, aus dem der PTC besteht, und kann durch eine geeignete Mischung von Oxiden Ba(Sr,Pb)TiO3 auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt werden. 

Der PTC verhält sich also bei niedrigen Umgebungstemperaturen ähnlich wie ein geschlossener Schalter und bei Temperaturen oberhalb von Ts wie ein offener Schalter. Die physikalischen Phänomene, die die Temperaturabhängigkeit eines PTC hervorrufen, sind äußerst komplex, und die Gleichungen, die die Zusammenhänge beschreiben, nur schwer zu entziffern.
Soll ein PTC in einer Anwendung zum Einsatz kommen, gibt es zwei Möglichkeiten. Erstens: Die streng wissenschaftliche Herangehensweise. Diese impliziert beispielsweise das Lesen von Fachaufsätzen über das Heywang-Modell [1] und das Vertiefen in hochinteressante Gesetzmäßigkeiten, die den Widerstandsänderungen an Korngrenzen und dem Curie-Temperatureffekt zugrunde liegen. 

Falls dafür die Zeit fehlt, besteht die einfachere Variante in einem Blick in das Datenblatt. Hier ist es empfehlenswert, das Dokument „PTC Explanation of Terms“ [2] von Vishay zu lesen, das die zahlreichen PTC-Parameter – Ts, Spannungsabhängigkeit des Widerstands (VDR, voltage-dependent resistance), Ansprech-/Nicht-Ansprech-Strom und mehr – erläutert. Alle diese Charakteristiken müssen bei der Schaltungsentwicklung berücksichtigt werden, wenn man Wert auf ein leistungsfähiges und zuverlässiges Design legt.

Die beiden genannten Vorgehensweisen sind intellektuell bereichernd und werden die gesamte Ingenieurskunst herausfordern. Dennoch ist es wichtig, auf einen ausreichenden Zeitrahmen zu achten, denn das „Hinein-Designen“ eines PTC, der in der Anwendung einwandfrei funktioniert, ist eine knifflige Aufgabe. (An dieser Stelle wurde noch nicht über die Analyse des Einflusses der Toleranzen aller oben genannten Parameter gesprochen.)

Darum wird die Frage aufkommen, ob es nicht eine einfache Methode gibt, verschiedene Designvarianten auszuprobieren, bei der Fehler schnell erkannt und behoben werden können. Im Prinzip ein Ansatz von Plug & Play, der kostenfrei zur Verfügung steht.