Können SMD-Thermistoren einen Überspannungsschutz für elektronische Geräte bieten?

Wiedereinschaltbarer Überspannungsschutz mittels SMD-Thermistoren

Selbstwiedereinschaltmechanismus von SMD-Thermistoren: Der PTC-Effekt in Miniaturform

Neben dem Angebot einer miniaturisierten, selbstrückstellenden Überstromschutzeinrichtung nutzen SMD-Thermistoren den positiven Temperaturkoeffizienten (PTC). In einem Thermistor löst ein zu hoher Strom einen PTC-Vorgang aus, bei dem der Widerstand innerhalb weniger Millisekunden – durch Joule-Erwärmung – um Tausende von Malen ansteigt. Dadurch wird nicht nur die Komponente bzw. die Komponenten im Strompfad dauerhaft geschützt, sondern auch der in Reihe mit dem Strompfad geschaltete PTC selbst zurückgestellt. Diese selbstrückstellende Eigenschaft unterscheidet sich von einer herkömmlichen Sicherung. PTCs unterstützen den fortlaufenden Betrieb des gesamten Systems während üblicher, kurzzeitiger Spannungsspitzen bzw. Fehlerzustände – was die meisten Ingenieure sehr schätzen. Kurzzeitige Überlastungen des Stromkreises sind eine Funktion dieser Bauelemente und kein Mangel. PTCs sind bereits in Größen verfügbar, die für Gehäuse der Baugröße 0201 geeignet sind. Das bedeutet, dass die Bauelemente weniger als einen Quadratmillimeter Fläche auf der Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) beanspruchen.

SMD-Thermistoren bestehen aus Festkörperkomponenten, was ihnen einen Vorteil bei Stößen und Vibrationen verleiht. Diese Komponententypen eignen sich ideal für Automotive- und Industrieanwendungen, da sie erheblichen Vibrationen standhalten müssen. Während Sicherungen ihren Zweck bei der Bewältigung sehr hoher Stromspitzen erfüllen – die über 10 kA liegen können – sind SMD-Thermistoren langfristig kostengünstiger. Bei häufig wiederkehrenden Fehlerszenarien, wie sie beispielsweise in Stromversorgungseinheiten und Motorsteuerungen auftreten, können SMD-Thermistoren etwa 60 % an Wartungskosten einsparen. Während des Betriebs weisen die Komponenten (keramisch oder polymerbasiert) über den Temperaturbereich von −40 °C bis +125 °C hinweg konsistente Auslösepunkte mit einer maximalen Abweichung von 7 % auf.

Wichtige Auswahlkriterien für die Auslegung von Überstromschutzsystemen mit SMD-Thermistoren

Spannungsbelastbarkeit, Haltestrom (Ihold) und Umgebungstemperatur bei Leiterplattendesigns

Bei der Auswahl von SMD-Thermistoren sind drei wichtige Aspekte zu berücksichtigen: die Spannungsfestigkeit, der Haltestrom (Ihold) und die Umgebungstemperatur. Die Spannungsfestigkeit muss größer sein als der maximale Wert der erwarteten Spannung im Stromkreis am Thermistor, um das Risiko einer elektrischen Durchschlagbildung auszuschließen. Dies ist besonders wichtig bei Hochleistungsanwendungen wie USB-C-PD-Anschlüssen und industriellen Steuerungspanelen, bei denen Spannungsspitzen auftreten können. Der Haltestrom für SMD-Thermistoren liegt üblicherweise im Bereich von 30 Milliampere bis 14 Ampere; oberhalb dieses Haltestromwerts steigt aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) der Widerstand an, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird. Darüber hinaus sind die Betriebsparameter und die Nenntemperatur des Thermistors von Bedeutung. Geräte, die für den Betrieb bei 25 Grad Celsius ausgelegt sind, beginnen aufgrund der thermischen Leistungsreduzierung oft bereits bei 40 Grad Celsius auszulösen und zurückzusetzen. Konstrukteure müssen die Wärmeentwicklung benachbarter Komponenten berücksichtigen.

Die Nähe von Prozessoren und Leistungssteuer-ICs erhöht die lokale Platinentemperatur um 15 bis 20 Grad Celsius, was den effektiven Haltestrom möglicherweise um nahezu 33 Prozent verringert. Fehleinschätzungen dieser Werte führen entweder zu vorzeitigem Herunterfahren, das den Betriebsablauf unterbricht, oder zu gefährlich verzögerten Reaktionen auf Fehlerzustände.

Abwägung zwischen SMD-Gehäusegrößen 0201 und 1206, thermischem Verhalten und abgeführter Leistung

Bei der Konstruktion elektronischer Schaltungen hat die Bauteilgröße einen erheblichen Einfluss auf das Verhalten des Überstromschutzes. Gehäuseformate 0201 und 0402 ermöglichen eine maximale Ausnutzung der Leiterplattenfläche, insbesondere bei tragbaren Geräten und IoT-Geräten. Aufgrund ihrer geringen Abmessungen erwärmen sich diese Komponenten jedoch schnell und aktivieren innerhalb weniger Millisekunden die Überstromschutzschaltungen. Im Gegensatz dazu können Gehäuseformate 0805 und 1206 höhere Dauerströme bis zu 5 Ampere aushalten. Sie eignen sich daher für anspruchsvolle Umgebungen wie automobile Unterhaltungssysteme, bei denen Zuverlässigkeit entscheidend ist. Der Kompromiss besteht darin, dass größere Gehäuse aufgrund ihrer höheren thermischen Masse thermische Ansprechzeiten aufweisen, die um 15 % bis 40 % langsamer sind; dies stellt Konstrukteure vor die Herausforderung, zu entscheiden, ob die Leiterplattenfläche oder die thermische Ansprechzeit für die vorgesehene Funktion des Endprodukts wichtiger ist.

Thermische Reaktion: 0402-Bauelemente können Fehler nahezu doppelt so schnell erkennen wie 1206-Bauelemente, vertragen jedoch etwa 60 % weniger Energie, bevor sie ausfallen.

Leistungsverarbeitung: 1206-Gehäuse können bis zu 1,2 W dissipieren, während 0201-Gehäuse nur 0,25 W dissipieren können, wodurch sie für Motoransteuerungs- und Hochstrom-Stromschiene-Anwendungen geeignet sind.

PCB-Layout-Einschränkungen: 0201-Bauelemente werden manchmal in stark verdichteten Designs benötigt, doch thermische Entlastungen und Isolation sind erforderlich, um eine Überschwingung der Temperatur durch benachbarte Komponenten zu vermeiden.

Wichtige Leistungsunterschiede bei keramischen und polymeren SMD-Thermistoren.

Materialspezifisches Verhalten: Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR), Auslösezeit, Halte-/Auslösestromverhältnisse.

Die Leistungsunterschiede zwischen keramischen und polymeren SMD-Thermistoren beruhen hauptsächlich auf ihren unterschiedlichen Materialien. Keramiken bestehen beispielsweise häufig aus dotiertem Bariumtitanat, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Stabilität bietet. Dieser Materialtyp liefert konsistente TCR-Werte von etwa ±4 % pro °C und weist ein Halte-zu-Auslösestrom-Verhältnis von ungefähr 1,5 : 1 auf. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit eines falschen Auslösens in Schaltungen, die empfindlich auf Spannungsschwankungen reagieren, minimiert. Polymer-Thermistoren verhalten sich dagegen anders, da sie eine kohlenstoffgefüllte Polymermatrix verwenden.

Sie können deutlich schneller reagieren, manchmal innerhalb von etwa einer halben Sekunde, doch ihre TCR-Drift beträgt ±15 % pro Grad. Daher können diese Bauelemente bei inkonsistenten Temperaturänderungen unempfindlich werden. Die wesentlichen Unterschiede dieser Ansätze liegen letztlich in …

Auslösedynamik: Keramiken reagieren linearer und schrittweiser auf Temperaturschwankungen, während Polymere unmittelbarer auf Überströme reagieren.

Halte-/Auslöseverhältnis: Keramiken weisen engere Verhältnisse (1,5:1) auf, was die Haltegenauigkeit verbessert; Polymere weisen üblicherweise ein Verhältnis von 2:1 auf, was die Wahrscheinlichkeit falscher Auslösungen erhöht

Langzeitzuverlässigkeit: Nach 10.000 Zyklen weisen Keramiken eine TCR-Drift von < ±5 % über ihre gesamte Lebensdauer auf, während Polymere eine Drift von ±20 % aufweisen können, wodurch sie für sicherheitskritische oder langlebige Anwendungen unzuverlässig werden

Für Leiterplatten, bei denen Genauigkeit entscheidend ist – insbesondere solche, die analoge Sensoren oder niedergeräuschige Verstärker versorgen – sind keramische SMD-Thermistoren die klare Wahl hinsichtlich Konsistenz, während polymere Varianten ideal sind, wenn Geschwindigkeit und mehrfache Rücksetzvorgänge gegenüber Genauigkeit bevorzugt werden.

Praktische Anwendungen von SMD-Thermistoren in der heutigen Elektronik

Schutz von USB-C-PD mit aus Polymeren hergestellten SMD-Thermistoren

Kompakte, wiedereinschaltbare Polymer-SMD-Thermistoren im 0402-Gehäuse (ca. 1 mm × 0,5 mm) bieten Überstromschutz für USB-C-Power-Delivery-Anschlüsse. Im Falle von Kurzschlüssen oder Spannungsspitzen reagieren diese Thermistoren etwa zehnmal schneller als herkömmliche Sicherungen, um Fehlerströme auf sichere Werte zu begrenzen. Aufgrund ihrer geringen Größe weisen SMD-Thermistoren eine sehr niedrige thermische Masse auf, wodurch sie selbst in unterschiedlichen thermischen Umgebungen konsistente Auslöseschwellen (± 7,00 %) beibehalten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherungen schalten sich SMD-Thermistoren nach einer Abkühlphase automatisch zurück und sind daher wartungsfrei. Im USB-C-PD-Compliance-Bericht 2022 sind für diese Bauelemente über 100.000 Betriebszyklen bei voller Last von 100 Watt dokumentiert, was die Zuverlässigkeit von Massen-Konsumentenelektronikgeräten unterstreicht.

SMD-Thermistoren aus Keramik. SMD-Keramik-Thermistoren sind Überstromschutzvorrichtungen, die aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit bei starken Vibrationen – beispielsweise in der Automobilindustrie und im industriellen IoT – besonders geeignet sind, da mechanische Spannungen an ihren Elementen elektromechanische Lösungen beeinträchtigen.

- Montageintegrität: Das direkte Löten auf die Leiterplatte mittels Reflow-Löten gewährleistet, dass die Komponente auch unter extremsten Vibrationsbelastungen von bis zu 5 G nicht vom Board abhebt.

- Thermische Entlastung: Die Komponente kann im Temperaturbereich von −40 °C bis +125 °C stabil eingesetzt werden, ohne dass eine Neukalibrierung oder Kompensation erforderlich ist.

- Failsafe-Abstand: Ein Mindestabstand von 3 mm oder mehr zu beidseitig benachbarten, heißlaufenden ICs verhindert ungewollte Auslösungen der Komponente.

Die SMD-Keramik-Thermistoren für den Automobilbereich sind in den Standardgrößen 0603 und 0805 erhältlich und können mechanische Stöße von mehr als 50 g aushalten, ohne sich von der Leiterplatte zu lösen – was sie ideal für den Einsatz in ADAS-, Telematik- und V2X-Anwendungen sowie anderen automobilspezifischen Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen macht. Sie erwiesen sich im Vergleich zu schutzschaltenden Reed-Schaltern in Entlastungseinrichtungen viermal leistungsfähiger, weshalb Hersteller auf diesen neuen Thermistor umgestiegen sind. In der „Logistics Electronics Reliability Study 2024“ wurden diese Bauelemente getestet und berichtet, dass sie auch nach 500.000 Vibrationszyklen einwandfrei funktionierten. Die Ausfallquote von 0,2 % ist zudem ein weiterer Grund dafür, dass andere Hersteller diesen neuen Thermistor für solche rauen Betriebsbedingungen übernehmen.

Welche Rolle spielen SMD-Thermistoren in Schaltungen?

SMD-Thermistoren nutzen den PTC-Effekt (positiver Temperaturkoeffizient) und bieten eine wiederholbar einsetzbare Überstromschutzwirkung. Nach einem Überstromschutzereignis stellen sie sich automatisch wieder zurück.

Wodurch zeichnen sich SMD-Thermistoren gegenüber Sicherungen aus?

Sicherungen sind Einmalgeräte, während sich SMD-Thermistoren mehrfach selbst zurücksetzen. Sie eignen sich besser für die meisten Anwendungen mit starker Vibration, da sie schneller und zuverlässiger sind.

Welche Spezifikationen sind bei der Auswahl eines SMD-Thermistors zu berücksichtigen?

Damit der SMD-Thermistor den Schaltkreis optimal schützt und funktional unterstützt, müssen die Spezifikationen – insbesondere die Spannungsfestigkeit, der Haltestrom und die Umgebungstemperatur – auf das Schaltkreisdesign abgestimmt sein.

Wo kommen SMD-Thermistoren am häufigsten zum Einsatz?

Aufgrund ihrer Fähigkeit, häufige Schaltzyklen und hohe Temperaturen zu bewältigen, sind SMD-Thermistoren vor allem in industriellen und automobilen Anwendungen, IoT-Geräten sowie an USB-C-Power-Delivery-Anschlüssen besonders nützlich.