Der Schutz von Stromkreisen muss nicht kompliziert sein, doch unterschiedliche Anwendungsfälle und Umgebungen erfordern intelligentere Konstruktionen und technische Lösungen, damit 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, leistungsfähigere, intelligentere und schnellere Geräte in nahezu alles zu integrieren, doch dadurch sind unsere Geräte auch empfindlicher gegenüber unvorhersehbaren Stromspitzen und anderen Überstromereignissen geworden.

Nicht nur Unterhaltungselektronik oder Hausstromkreise benötigen Schutz. Seit der Elektrifizierung der Vereinigten Staaten von Amerika im 19. Jahrhundert haben sich auch unsere Fabriken und Fließbänder elektrifiziert und anschließend automatisiert; in den letzten Jahrzehnten kamen riesige Rechenzentren hinzu. Insgesamt hat dieser Bedarf an elektrischer Energie alles übertroffen, was irgendjemand im 19. Jahrhundert vorhergesagt hätte. Dieses beispiellose Wachstum des Stromverbrauchs – von unseren heimischen PCs bis zu den PLCs in unseren Fabriken – erfordert zuverlässigen Schutz vor Überstrom ereignissen, um den Lebensstandard unserer Bürger ebenso wie die Produktivität unserer Volkswirtschaften zu sichern.

Unter den vielen Schwachstellen moderner Elektronik treten zwei wesentliche Arten von Überstromereignissen am häufigsten auf. Eine der häufigsten Arten ist der Kurzschluss. Ein Kurzschluss entsteht, wenn eine Schleife von der Stromquelle zu ihr selbst zurückführt und dabei nur eine geringe oder gar keine Impedanz auf den Strom wirkt. Dadurch wird der Stromkreis zu einer positiven Rückkopplungsschleife, in der die Elektronen im Stromkreis in Resonanz geraten und mit der Zeit immer energiereicher werden. Die einzige Senke für diese zunehmende Energie besteht darin, sie in Wärmeenergie umzuwandeln. Diese Wärmezunahme kann empfindliche Elektronik und Stromkreise beschädigen und sogar zu Explosionen führen.

Die zweithäufigsten Überstromereignisse sind Stromspitzen. Sie entstehen, wenn einem Stromkreis ungewöhnliche Stromerhöhungen zugeführt werden, die die erwartete Strombelastung 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. Der Schutz von Stromkreisen dient somit zugleich als Sicherheitsmaßnahme, um das Wohlergehen von Fabrikarbeitern, Verbrauchern und Personen in der Nähe zu gewährleisten. Überstromereignisse können Explosionen und Brände verursachen sowie Stromstärken erreichen, die der menschliche Körper nicht aushalten kann. Im Falle eines energiereichen Überstroms ist der Stromkreisschutz die letzte Verteidigungslinie gegen lebensbedrohliche Verletzungen oder Unfälle.

Funktionsweise des Stromkreisschutzes

Der Stromkreisschutz beruht auf dem Prinzip, an einer Stelle im Stromkreis gezielt eine Schwachstelle einzubauen, sodass Überstromereignisse, die einen Stromschwellenwert überschreiten, einen Schutzschalter oder Schalter auslösen, der den Stromkreis öffnet und den Stromfluss unterbricht.

Sicherungen gehörten zu den ersten weithin akzeptierten Methoden zum Schutz von Stromkreisen. In der Regel sind Sicherungen dünne Metallstücke oder -streifen, deren Schmelzpunkt nahe an den Temperaturen liegt, die ihr Widerstand bei einer unzulässig hohen Stromstärke erzeugen würde. Die Wärmeenergie des Stroms lässt die Metallsicherung schmelzen und den Stromkreis öffnen, wodurch der gesamte Stromfluss unterbrochen wird. Sicherungen erfüllen ihren Zweck zwar gut, doch die Wirksamkeit ihrer vergleichsweise einfachen Konstruktion kann je nach Anwendungsfall variieren. Manchmal sind komplexere Methoden zum Stromkreisschutz erforderlich, die bei anspruchsvolleren Anwendungsfällen Vorteile bieten.

Hier kommen Schutzschalter ins Spiel.

Schutzschalter wurden als zuverlässigeres Mittel zum Schutz von Stromkreisen und Elektronik entwickelt. Ein Schutzschalter enthält mehrere Bauteile, die von Nutzern oder Herstellern auf die Anforderungen einzelner Anwendungsfälle abgestimmt werden können, anstatt sich wie eine Sicherung auf den spezifischen Widerstand eines dünnen Metallstreifens zu verlassen. Die Konstruktion von Schutzschaltern kann je nach Einsatz und Bedingungen variieren, doch das Grundprinzip besteht darin, dass ein Bauteil vom Strom beeinflusst wird und ihn dadurch überwacht, während ein anderes Bauteil, manchmal als Betätigungselement bezeichnet, den Stromkreis bei einem Überstromereignis unterbricht.

Verfügbare moderne Hardware

Es gibt drei Hauptarten moderner Hardware zum Schutz von Stromkreisen vor Überstromereignissen: hydraulisch-magnetische, thermische sowie Fehlerstromschutzschalter, die manchmal auch als Erdschlussschutzschalter bezeichnet werden.

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

Ein einfacher hydraulisch-magnetischer Schutzschalter bei Nennstrom oder niedrigeren Stromwerten. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Carling Electronics.)

Thermische Schutzschalter verwenden Bimetallstreifen und ein Verfahren, wie es auch in Thermostaten zum Einsatz kommt. Die beiden Metalle des Streifens reagieren jeweils unterschiedlich auf thermische Bedingungen, wobei sich ein Metall schneller ausdehnt als das andere. Dadurch biegt sich der Streifen zu der Seite des Bimetallstreifens, die sich langsamer ausdehnt, und öffnet den Stromkreis, wenn der Strom zu viel Wärme erzeugt.

Eine Sammlung thermischer Schutzschalter, darunter die CMB-Serie mit einem maximalen Ausschaltvermögen von 2500 A bei 32 VDC. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Carling.)

Schutzschalter gegen Geräteableitströme und Erdschlüsse nutzen Messungen der elektromotorischen Kraft (EMF). Eingangs- und Ausgangsströme erzeugen EMFs, die betragsmäßig gleich, aber im Vorzeichen, positiv oder negativ, entgegengesetzt sind. Bei normalem Stromfluss heben sich Eingangs- und Ausgangsstrom gegenseitig auf, und der Stromkreis bleibt geschlossen. Bei einem Überstrom wäre eine dieser EMFs größer als die andere, wodurch eine von null verschiedene Netto-EMF entsteht, die erkannt wird und das Öffnen des Stromkreises auslöst.

Abbildung eines Schalters der PC-Serie, der die besten Eigenschaften eines Fehlerstromschutzschalters mit denen eines normalen Schutzschalters verbindet. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Carling.)

Jede Art moderner Schutzschalter hat ihre Vor- und Nachteile und bietet Lösungen für unterschiedliche Anwendungsfälle. Bei der Wahl einer Art des Stromkreisschutzes sollte man die Vor- und Nachteile jeder Art kennen, um festzustellen, welche die Bedingungen des jeweiligen Anwendungsfalls erfüllt. Thermische Schutzschalter eignen sich beispielsweise nicht für Orte mit zu hohen oder zu niedrigen Umgebungstemperaturen, da diese Fehlauslösungen verursachen können, wenn die Temperatur zu hoch ist, oder verhindern können, dass der Schutzschalter überhaupt auslöst, wenn die Temperatur zu niedrig ist.

Elektronik und Maschinen in rauen Umgebungen benötigen