Rückstellende Sicherung (PTC-Sicherung)

Steckst du einen USB-Stick mit Kurzschluss in einen Laptop, geht der Anschluss aus – und funktioniert ein paar Minuten später wieder, als wäre nichts gewesen. Dahinter steckt oft eine rückstellende Sicherung. Sie trennt bei Überstrom wie eine Sicherung, muss danach aber nicht getauscht werden. Du findest sie an USB-Buchsen, in Akkupacks, an Lautsprecherausgängen, in Spielzeug und an jedem Anschluss, an dem ein Anwender mal etwas Falsches anstecken kann.

Aufbau und Funktionsweise

Die verbreitete Bauart heißt PPTC (Polymer Positive Temperature Coefficient), bekannt unter Handelsnamen wie PolySwitch oder Multifuse. Im Inneren liegt eine dünne Scheibe aus einem teilkristallinen Kunststoff, in den feine Rußpartikel eingemischt sind, zwischen zwei Metallfolien als Elektroden.

Im kalten Zustand ist der Kunststoff kristallin und dicht gepackt. Die Rußteilchen berühren sich und bilden viele leitende Ketten; der Widerstand liegt bei einigen zehn bis hundert Milliohm. Fließt zu viel Strom, erwärmt sich das Bauteil durch die eigene Verlustleistung. Ab etwa 120 bis 130 °C schmilzt der kristalline Anteil, der Kunststoff dehnt sich sprunghaft aus und reißt die leitenden Ketten auseinander. Der Widerstand steigt um mehrere Zehnerpotenzen – die Sicherung hat „ausgelöst“. Kühlt sie nach dem Abschalten ab, kristallisiert der Kunststoff wieder, die Ketten schließen sich, und sie leitet erneut.

Das Prinzip ähnelt dem keramischen PTC-Kaltleiter, der ebenfalls oberhalb einer Schwelltemperatur hochohmig wird. Keramische PTCs werden zum Teil ebenfalls als Überlastschutz eingesetzt, etwa in Motoren und Telefonleitungen; sie sind robuster gegen hohe Spannungen, haben aber einen deutlich höheren Grundwiderstand.

Schaltzeichen

Ein eigenes, einheitliches Schaltzeichen gibt es nicht. Meist wird das Symbol des Kaltleiters verwendet: ein Rechteck mit einem schrägen Strich, der unten einen kurzen waagerechten Fuß hat, dazu „+t°“. Manche Pläne zeichnen das Sicherungssymbol mit Zusatz. Der Referenzbezeichner ist meist F, manchmal RT oder PTC. Mehr dazu unter Schaltzeichen.

Kennlinie und Kennwerte

Über der Temperatur aufgetragen bleibt der Widerstand zunächst fast konstant und steigt dann innerhalb weniger Grad um den Faktor 1000 und mehr. Wo genau der Sprung einsetzt, hängt vom Strom und von der Umgebungstemperatur ab.

Die Kennwerte am Beispiel der verbreiteten SMD-Baureihe MF-MSMF von Bourns, Typ MF-MSMF050 im Gehäuse 1812:

Zwischen I_hold und I_trip liegt ein Graubereich, typisch Faktor zwei: Dort kann sie auslösen oder nicht. Und beide Werte hängen stark von der Umgebungstemperatur ab, weil die Sicherung ja auf Wärme reagiert. Für den MF-MSMF050 nennt der Hersteller:

Auch die Auslösezeit ist kein fester Wert: Bei knapp über I_trip dauert es Sekunden bis Minuten, bei großem Kurzschlussstrom Bruchteile einer Sekunde. Das ist deutlich langsamer als bei einer flinken Schmelzsicherung (siehe Wärme und Kühlung für das zugrunde liegende thermische Verhalten).

Bauformen

• Radial bedrahtet: eine flache, meist gelbe oder grüne Scheibe mit zwei Beinen, für Ströme bis über 10 A und Spannungen bis 60 V oder mehr.
• SMD: in den Chipgrößen 0603 bis 2920; 1206 und 1812 sind an USB-Buchsen besonders verbreitet.
• Bandform (Strap): eine flache Sicherung mit Nickellaschen, die zwischen die Zellen eines Akkupacks geschweißt wird.

Typische Anwendungen

Die klassische Anwendung ist ein Anschluss, den ein Anwender kurzschließen kann: eine USB-Buchse, ein Sensoranschluss, eine Versorgungsklemme für externe Geräte. Die Sicherung sitzt direkt in der Versorgungsleitung zum Anschluss, möglichst nah an der Buchse.

Auswahl und Praxistipps

Wähle I_hold für die höchste Umgebungstemperatur, nicht für 23 °C. Prüfe dann, ob I_trip bei der tiefsten Temperatur noch unter dem Strom liegt, den Leitungen und Quelle aushalten (siehe Leitungen dimensionieren). U_max muss über der höchsten Spannung liegen, die im Fehlerfall anliegen kann, und I_max über dem Kurzschlussstrom der Quelle.

Häufige Fehler:

• Haltestrom für Raumtemperatur gewählt: In der warmen Ecke des Gehäuses löst die Sicherung schon im Normalbetrieb aus.
• Als Schutz für Halbleiter gedacht: Mit Auslösezeiten im Bereich von Zehntelsekunden ist ein Transistor längst durch, bevor die Sicherung reagiert.
• Spannungsfall vergessen: Nach dem ersten Auslösen ist der Widerstand dauerhaft höher als im Neuzustand.
• Spannung zu hoch: Eine 6-V-Sicherung an 24 V kann beim Auslösen durchschlagen.
• Neben einer Wärmequelle platziert: Ein heißer Spannungsregler daneben verschiebt Haltestrom und Auslösung.

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