Methode zur Berechnung der Pulsbelastung von Zener-Dioden in der Eigensicherheit für Zener-Barrieren mit dem Schmelzintegrals und dem Kaltwiderstand und ihre Problematik

In der Entwick­lung eigen­sicher­er Geräte ist die genaue Berech­nung der Puls­be­las­tung von Zen­er-Dio­­den essen­ziell, ins­beson­dere bei Geräten, die mit Net­zs­pan­nung betrieben wer­den. Die Fähigkeit, solche Puls­be­las­tun­gen kor­rekt einzuschätzen, stellt sich­er, dass die Zen­er-Dio­­den inner­halb ihrer sicheren Betrieb­s­gren­zen arbeit­en und somit die Integrität des gesamten Geräts gewahrt bleibt. In diesem Blog­post wird eine Meth­ode zur Berech­nung der Puls­be­las­tung vorgestellt, die das Schmelz­in­te­gral und den Kaltwider­stand berück­sichtigt. Obwohl diese Meth­ode nicht vol­lkom­men den physikalis­chen Gegeben­heit­en entspricht, ist diese Vorge­hensweise aus der Prax­is bekan­nt und wird von Entwick­lern und Her­stellern eigen­sicher­er Geräte, sowie von Prüf­stellen für die ATEX oder IECEx Zulas­sung ange­wandt. Es sind einige Kri­tikpunk­te an dieser Meth­ode ange­bracht, die in diesem Artikel aufge­führt wer­den. Vie­len Dank an dieser Stelle für die Kom­mentare und Hin­weise in diesem Zusam­men­hang. Es ist rat­sam im Zweifel eine prak­tis­che Prü­fung durchzuführen oder weit­erge­hende Infor­ma­tio­nen vom Her­steller der Dio­den und Sicherun­gen einzu­holen.

Die Betra­ch­tung der Puls­be­las­tung ist von entschei­den­der Bedeu­tung, beson­ders bei Geräten, die mit Net­zs­pan­nung ver­sorgt wer­den. Die Zen­er-Dio­­den in solchen Bar­ri­eren wer­den oft durch eine Sicherung geschützt. Da Sicherun­gen aber im Ver­hält­nis zu Tran­sien­ten­vorgän­gen rel­a­tiv träge sind, kön­nen die Dio­den Pulsströ­men aus­ge­set­zt sein. Wenn diese Belas­tun­gen nicht kor­rekt berech­net und berück­sichtigt wer­den, kann es zu einem Aus­fall der Dio­den und im schlimm­sten Fall zu einem Sicher­heit­srisiko kom­men. Daher ist eine genaue und ver­lässliche Meth­ode zur Berech­nung der Puls­be­las­tung notwendig, um die Sicher­heit und Zuver­läs­sigkeit der Geräte zu gewährleis­ten.

Das Schmelz­in­te­gral, auch bekan­nt als Gren­zlastin­te­gral oder i²t-Wert, ist ein Maß für die Kurzzeitüber­last­fähigkeit von elek­trischen oder elek­tro­n­is­chen Bauele­menten bei impuls­för­mi­gen Belas­tun­gen. Es beschreibt, wie eine Schmelzsicherung auf eine solche Belas­tung reagiert: Sobald der i²t-Wert erre­icht ist, wird die Sicherung schmelzen und somit den Stromkreis unter­brechen.

Der im Daten­blatt angegebene Norm i²t-Wert dient der Auswahl der Sicherung und gibt daher nur die Energie an, bei der der Sicherungs­draht anfängt zu schmelzen (Melt­ing i²t). Nach­dem der Draht geschmolzen ist, fol­gt eine Zeit, in der ein Licht­bo­gen ste­hen bleibt (Arc­ing i²t). Erst, wenn diese Zeit ver­strichen ist, öffnet die Sicherung. Die Gesamtzeit wird auch als Clear­ing i²t beze­ich­net, ist aber nicht im Daten­blatt angegeben.

Weit­er­führende Infor­ma­tio­nen sind im „Fuse­ol­o­gy Design Guide“ von Lit­tel­fuse zu find­en.

Fuse­ol­o­gy – Lit­tel­fuse

Der Kaltwider­stand ein­er Sicherung ist der ohm­sche Wider­stand, der in der Regel bei Raumtem­per­atur angegeben wird. Da der Wider­stands­draht ein­er Sicherung in der Regel aus einem Met­all beste­ht und somit Kaltleit­er sind, erhöht sich deren Wider­stand bei Erwär­mung. Der Kaltwider­stand ist also der Wert, bei dem die Sicherung nicht vom Strom durch­flossen ist. Im nor­malen Betrieb ist der Wert höher, wenn sich die Sicherung durch den Strom­fluss erwärmt.

Im Falle eines kurzzeit­i­gen Span­nungspuls­es, wirkt der ohm­sche Wider­stand strombe­gren­zend und kann den Pulsstrom lim­i­tieren.

Die Berech­nung der Pul­slast der Zen­er-Dio­­den ist ein notwendi­ges  Unter­fan­gen, wenn Sicherun­gen ver­wen­det wer­den, um diese zu schützen. Das Ver­fahren dazu ist auch in der aktuellen Edi­tion 7 der IEC 60079–11 beschrieben. Sicher­lich sind einige Annah­men und Über­tra­gun­gen der Werte aus den Daten­blät­tern notwendig, die sich im Detail kri­tisieren lassen. Ins­beson­dere ist die Ver­wen­dung des Schmelz­in­te­grals auf diese Weise nicht kor­rekt.

Es ist sin­nvoll weit­erge­hende Infor­ma­tio­nen von den Bauteil­her­stellern einzu­holen oder die Para­me­ter über eine Prü­fung zu ermit­teln. Die 60079–11 bietet die Möglichkeit anhand von 10 Mustern einen Wert zu bes­tim­men, welch­er nicht im Daten­blatt gegeben ist.

Es sind auch weit­erge­hende Schutz­maß­nah­men denkbar, so kön­nten die Dio­den durch einen Wider­stand in Rei­he zur Sicherung vor höheren Pulsströ­men geschützt wer­den. Eben­so kann eine Berech­nung der Leis­tung des Puls­es weit­er­helfen, wenn die Dio­den eine max­i­male Pul­slast in Watt im Daten­blatt angegeben haben.