Überstromschutz muss nicht kompliziert sein, aber unterschiedliche Anwendungsfälle und Umgebungen erfordern intelligentere Designs und technische Lösungen, um sicherzustellen, dass die empfindliche Elektronik, Computer und Maschinen von heute bei Überstromereignissen nicht durchbrennen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Carling.)

Die Elektronik in unseren Geräten, Maschinen und Infrastrukturen ist kleiner, komplexer und empfindlicher geworden. Dieser Trend zur Miniaturisierung hat es uns zwar ermöglicht, stärkere, intelligentere und schnellere Geräte in nahezu alles zu integrieren, hat aber auch dazu geführt, dass unsere Geräte empfindlicher auf unvorhersehbare Spannungsspitzen und andere Überstromereignisse reagieren.

Es sind nicht nur Unterhaltungselektronik oder Hausinstallationen, die Schutz benötigen. Seit der Elektrifizierung der Vereinigten Staaten von Amerika im 19.Jahrhundert haben die Elektrifizierung und die daraus folgende Automatisierung unserer Fabriken und Fließbänder – und in den letzten Jahrzehnten riesige Rechenzentren – stetig zugenommen. Insgesamt haben diese Anforderungen an elektrische Energie alles übertroffen, was man sich in den 1800er Jahren hätte vorstellen können. Dieses beispiellose Wachstum des Energieverbrauchs – von unseren Heim-PCs bis zu den SPS in unseren Fabriken – erfordert zuverlässigen Schutz vor Überstrom , um den Lebensstandard unserer Bürger sowie die Produktivität unserer Volkswirtschaften zu sichern.

Umgebungen mit hoher Spannung und hoher Stromstärke können für Arbeiter gefährlich sein. Überstromschutz schützt nicht nur stromverbrauchende Anlagen, sondern auch Menschenleben.

Unter den vielen Schwachstellen moderner Elektronik sind zwei Überstromereignisse am häufigsten. Eines der häufigsten Überstromereignisse ist der Kurzschluss. Ein Kurzschluss tritt auf, wenn eine Schleife von der Stromquelle zurück zu sich selbst entsteht, bei der kaum oder gar kein Widerstand auf den Strom einwirkt. Dadurch wird der Stromkreis zu einer positiven Rückkopplungsschleife, in der die Elektronen im Stromkreis mitschwingen und im Laufe der Zeit immer stärker energetisiert werden. Der einzige Weg, diese zunehmende Energie abzuleiten, besteht darin, sie in thermische Energie umzuwandeln. Dieser Temperaturanstieg kann empfindliche Elektronik und Schaltkreise beschädigen und sogar zu Explosionen führen.

Das zweithäufigste Überstromereignis sind Spannungsspitzen. Diese treten auf, wenn abnormale Stromanstiege zu einem Stromkreis hinzukommen, die die erwartete Stromlast überschreiten, für die der Stromkreis ausgelegt wurde. Ein Beispiel dafür ist ein Blitzeinschlag in der Nähe einer elektrischen Energieinfrastruktur.

Darüber hinaus dient der Schutz vor Überstromereignissen nicht nur dem Schutz von Elektronik oder Industriemaschinen, sondern auch dem Schutz von Arbeitern und Nutzern. Das heißt, der Überstromschutz dient auch als Sicherheitsmaßnahme, um das Wohlergehen von Menschen wie Fabrikarbeitern, Verbrauchern – und Personen in der Nähe – zu gewährleisten. Überstromereignisse können Explosionen, Brände verursachen und Stromstärken erreichen, die über das hinausgehen, was der menschliche Körper aushalten kann. Im Falle eines energiegeladenen Überstroms ist der Überstromschutz die letzte Verteidigungslinie gegen lebensbedrohliche Verletzungen oder Unfälle.

Wie Überstromschutz funktioniert

Überstromschutz basiert auf der Idee, entlang eines Stromkreises eine Schwachstelle einzubauen, sodass Überstromereignisse, die einen Schwellenstrom überschreiten, einen Schutzschalter oder Schalter auslösen, um den Stromkreis zu öffnen und den Strom zu unterbrechen.

Sicherungen gehörten zu den ersten weithin akzeptierten Methoden des Überstromschutzes. Üblicherweise sind Sicherungen dünne Metallstücke oder -streifen mit einem Schmelzpunkt, der nahe an den Temperaturen liegt, die ihr Widerstand bei einer unzulässigen Strommenge erzeugen würde. Die durch den Strom erzeugte thermische Energie lässt die Metallsicherung schmelzen und öffnet den Stromkreis, wodurch der gesamte Strom unterbrochen wird. Sicherungen erfüllen ihren Zweck gut, aber ihr relativ einfaches Design kann je nach spezifischem Anwendungsfall unterschiedlich effektiv sein. Manchmal ist es notwendig, komplexere Überstromschutzmethoden zu verwenden, die Vorteile in komplexeren Anwendungsfällen bieten.

Hier kommen Leistungsschalter ins Spiel.

Leistungsschalter wurden als zuverlässigere Quelle zum Schutz von Schaltkreisen und Elektronik entwickelt. Ein Leistungsschalter enthält mehrere Teile, die von Benutzern oder Herstellern kalibriert werden können, um den Anforderungen einzelner Anwendungsfälle gerecht zu werden – anstatt sich, wie eine Sicherung, auf den Widerstand eines dünnen Metallstreifens zu verlassen. Das Design von Leistungsschaltern kann je nach Verwendungszweck und Bedingungen variieren, aber die allgemeine Idee ist, dass eine Komponente vom Strom beeinflusst wird (und ihn dadurch überwacht), während eine andere Komponente (manchmal als Aktuator bezeichnet) den Stromkreis im Falle eines Überstroms unterbricht.

Verfügbare moderne Hardware

Es gibt drei Hauptkategorien moderner Hardware zum Schutz von Stromkreisen vor Überstromereignissen: hydraulisch-magnetisch, thermisch und Fehlerstrom (manchmal als Erdschluss bezeichnet).

Hydraulisch-magnetische Leistungsschalter bestehen aus einer hydraulischen und einer magnetischen Komponente. Sie nutzen die Theorie des Elektromagnetismus, die Magnetspulen und Eisenkernstäbe steuert, um den Stromfluss durch die Magnetspule zu regeln, während sich der von der Spule umgebene Eisenkernstab bewegt. Die Reaktionszeit dieser Leistungsschalter hängt von der Viskosität der verwendeten Flüssigkeit ab, die als Medium zwischen dem Eisenkernstab und der Magnetspule dient. Je viskoser die verwendete Flüssigkeit, desto höher ist der Schwellenwert für ein Überstromereignis.

Ein einfacher hydraulisch-magnetischer Leistungsschalter, während der Strom bei Nennwerten oder darunter liegt. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Carling Electronics.)

Thermische Leistungsschalter verwenden Bimetallstreifen und nutzen einen Prozess, der dem in Thermostaten ähnelt. Die beiden Metalle des Streifens reagieren jeweils unterschiedlich auf thermische Bedingungen, wobei sich ein Metall schneller ausdehnt als das andere. Dies führt dazu, dass sich der Streifen zu der Seite hin biegt, die sich langsamer ausdehnt, und öffnet den Stromkreis, wenn der Strom zu viel Wärme erzeugt.

Eine Sammlung thermischer Leistungsschalter, einschließlich der CMB-Serie, die eine maximale Abschaltkapazität von 2500A bei 32VDC aufweist. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Carling.)

Fehlerstrom- und Erdschluss-Leistungsschalter für Geräte nutzen Messungen der elektromotorischen Kraft (EMK). Eingangs- und Ausgangsströme erzeugen EMKs, die in ihrer Größe gleich, aber im Vorzeichen entgegengesetzt sind (positiv oder negativ). Bei normalem Fluss heben sich die Summe von Eingang und Ausgang gegenseitig auf, und der Stromkreis bleibt geschlossen. Im Falle eines Überstroms wäre eine dieser EMKs größer als die andere, was zu einer von Null verschiedenen Netto-EMK führt, die erkannt wird und das Öffnen des Stromkreises auslöst.

Ein Bild eines Schalters der PC-Serie, der die besten Eigenschaften eines Fehlerstromschutzschalters mit einem normalen Leistungsschalter kombiniert. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Carling.)

Jeder Typ moderner Leistungsschalter hat seine Vor- und Nachteile und bietet Lösungen für unterschiedliche Anwendungsfälle. Bei der Wahl einer Art des Überstromschutzes ist es am besten, die Vor- und Nachteile jedes Typs zu verstehen, um herauszufinden, welcher die Bedingungen des Anwendungsfalls erfüllt. Zum Beispiel sind thermische Leistungsschalter nicht ideal für Orte mit zu hohen oder zu niedrigen Umgebungstemperaturen, die entweder Fehlauslösungen verursachen können (zu hohe Temperatur) oder dazu führen können, dass der Schalter nie auslöst (zu niedrige Temperatur).

Elektronik und Maschinen in rauen Umgebungen benötigen Überstromschutzlösungen , die unter diesen Bedingungen nicht versagen. Wenn beispielsweise die Bedingungen unter Wasser herrschen oder die Luft eine hohe Konzentration an Partikeln aufweist, wäre ein Leistungsschalter, der am Gehäuse und Schalter als abgedichtet zertifiziert ist, die beste Wahl.

Für unbemannte Situationen, in denen die Elektronik oder Maschinen nicht von Benutzern oder Arbeitern beobachtet werden, ist Überstromschutz ebenfalls sehr wichtig. In solchen Fällen können Überstromereignisse über längere Zeiträume unentdeckt bleiben, was zu Schäden an teuren Geräten und Schaltkreisen sowie zur Entstehung und Ausbreitung von Bränden führen kann. Ein Beispiel für diese Situation wäre die wachsende Anzahl von Anlagenfeldern in Solaranlagen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Ingenieure bei diesen Anlagen auf hydraulisch-magnetische Leistungsschalter vertrauen, da diese extreme Temperaturen besser aushalten als Bimetall-Leistungsschalter. Aufgrund der oft extremen Bedingungen, unter denen Solaranlagen installiert werden können, ist jedoch ein zusätzliches Design erforderlich, um eine Überhitzung durch Lichtbögen nach einer Unterbrechung des Stromkreises zu verhindern.

Der erste Schritt zu intelligenterem Überstromschutz besteht darin, zu untersuchen, welcher Leistungsschalter die beste Lösung bietet. Für jeden Anwendungsfall oder jede Umgebungsbedingung gibt es wahrscheinlich einen Leistungsschalter, der die Kosten senkt, die Wahrscheinlichkeit kritischer Ausfälle verringert, die Sicherheit erhöht und alle regionalen Normen und Zertifizierungen erfüllt. Da unsere Maschinen und Elektronik jeden Tag intelligenter und besser werden, wachsen auch die Technologien und der Erfindungsreichtum hinter dem Überstromschutz – halten Sie also Ausschau nach neuen Durchbrüchen!

Weitere Informationen zu Carlings Überstromschutzkomponenten finden Sie unter https://www.onlinecomponents.com/productsearch/circuit-protection/overcurrent-protection/circuit-breakers/.

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