Was ist eine Sicherung?

Was ist eine elektrische Sicherung?

Eine elektrische Sicherung ist eine essentielle Sicherheitsvorrichtung in der Elektrotechnik, die dazu dient, elektrische Geräte und Schaltkreise vor Schäden durch Überströme und Überspannungen zu schützen. Sie fungiert als Schutzmechanismus, indem sie bei Überlastung oder Kurzschluss den Stromkreis unterbricht, um elektrische Komponenten vor Überhitzung, Schäden oder Feuer zu bewahren.

Typischerweise besteht eine Sicherung aus einem dünnen Metallstreifen oder einem Metallstrang, der bei Überschreiten eines bestimmten Stromwertes schmilzt und somit den Stromfluss unterbricht. Dadurch verhindert sie, dass zu hohe Ströme in das angeschlossene Gerät gelangen und Schaden verursachen.

Konstruktion und Materialien

Die Konstruktion einer Sicherung variiert je nach Anwendung und Anforderungen. Für die Herstellung werden Materialien wie Zink, Kupfer, Silber, Aluminium oder spezielle Legierungen verwendet, die stabile und vorhersehbare Schmelzeigenschaften aufweisen. Das Sicherungselement ist so gestaltet, dass es den Nennstrom über längere Zeit tragen kann, ohne zu schmelzen, aber bei Überschreitung dieses Wertes rasch reagiert.

Die Form und das Design der Sicherungselemente sind so optimiert, dass sie eine effiziente Wärmeableitung gewährleisten und die Gefahr eines elektrischen Bogens minimieren. Mehrere Metallstreifen können in Serie geschaltet werden, um die Stromaufnahme zu erhöhen und eine gleichmäßigere Belastung zu gewährleisten.

Hauptanwendungen der Sicherungen

• In Kraftfahrzeugen, wie Autos, Lastwagen, Booten und Anhängern, schützt die Sicherung vor elektrischen Überlastungen.
• In Unterhaltungselektronik, beispielsweise bei Gaming-Konsolen, um die Geräte vor Stromspitzen zu bewahren.
• Bei tragbaren elektrischen Geräten wie Laptops, Smartphones, Druckern und Scannern sind Sicherungen integraler Bestandteil der Schutzschaltung.
• Hochspannungs-Sicherungssysteme in Transformatoren, die für die Verteilung von elektrischer Energie in Stromnetzen verwendet werden.
• In weiteren Komponenten wie Kondensatoren, Leistungswandlern, Motorstartern und Transformatoren zur Sicherstellung des sicheren Betriebs.
• In Monitoren mit LCD-Technologie sowie in Akkus, um die Bauteile vor Überströmen zu schützen.

Aufbau und Komponenten

Die grundlegenden Bestandteile einer Sicherung sind ein dünner Metallstreifen oder -strang, der innerhalb eines Gehäuses aus Glas, Keramik oder Kunststoff untergebracht ist. Je nach Typ können weitere Komponenten wie Sicherungsfüße, Adapter oder Kontaktstellen vorhanden sein, um eine einfache Installation und den Austausch zu ermöglichen.

Eigenschaften und technische Merkmale

• Strombelastbarkeit: Gibt die maximale Stromstärke an, die die Sicherung dauerhaft ohne Schmelzen tragen kann.
• Spannungsbewertung: Die maximale Spannung, bei der die Sicherung zuverlässig arbeitet, ohne unerwünschte Durchschläge.
• I²t-Bewertung: Ein Maß für die Energie, die die Sicherung während eines Kurzschlusses oder Fehlers aufnehmen kann, bevor sie durchbrennt.
• Bruchkapazität: Die maximale Stromstärke, die die Sicherung aushalten kann, bevor sie unwiderruflich durchbricht.
• Spannungsabfall: Die Spannung, die über der Sicherung bei normalem Betrieb abfällt, beeinflusst durch den Widerstand des Elements.
• Temperaturverhalten: Bei steigender Temperatur verringert sich die Strombelastbarkeit, was letztlich zum Schmelzen führt, wenn die Grenzwerte überschritten werden.

Auswahlkriterien für Sicherungen

Bei der Auswahl der passenden Sicherung sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:

• Bestimmung der Leistungsaufnahme des zu schützenden Geräts (in Watt), um die richtige Strombewertung zu ermitteln.
• Die Spannungsbewertung der Sicherung muss höher sein als die Betriebsspannung des Systems.
• Verwendung geeigneter Sicherungsarten, z.B. Zeitverzögerte Sicherungen für induktive Lasten und schnelle Sicherungen für resistive Lasten.
• Auswahl der höchsten sicheren Strombewertung, um einen zuverlässigen Schutz zu gewährleisten, z.B. bei einer berechneten Stromstärke von 5,3 A die Verwendung einer 6-A-Sicherung.

Klassifikation und Typen von Sicherungen

Sicherungen werden in verschiedene Kategorien eingeteilt, hauptsächlich in Bezug auf die Spannungsebene (Niederspannung vs. Hochspannung) und das Design (AC oder DC).
In der Niederspannungstechnik (LV) gibt es spezielle Typen wie:

• Kartuschen-Sicherungen: Geschlossene Gehäuse mit einem Metallfaden, erhältlich in D-Form oder als Hochbruchkapazitäts-Variante (HRC). Sie sind einfach austauschbar und werden häufig in Haushalts- und Industrieanwendungen eingesetzt.
• Wiederaufladbare Sicherungen (Kit-kat): Diese sind so konstruiert, dass sie nach dem Auslösen wieder verwendet werden können, indem sie das Sicherungselement austauschen.
• Störsicherungen: Speziell für den Schutz von Schaltkreisen mit hoher Belastung, mit robustem Design und hoher Vertreibungskraft.
• Sicherung mit Schalterfunktion: Kombinierte Schalt- und Sicherungselemente, meist in Niederspannungsnetzen eingesetzt.
• Drop-out-Sicherungen: Fallen beim Schmelzen durch die Schwerkraft heraus, um den Austausch zu erleichtern, besonders in Transformatorstationen.

Hochspannungssicherungen sind für Spannungen bis zu etwa 138 kV ausgelegt und kommen in Übertragungsnetzwerken sowie in großen Transformatoren zum Einsatz. Sie unterscheiden sich in ihrer Konstruktion, z.B. flüssigkeitsgefüllte oder gasgefüllte Systeme, die das Löschen des Lichtbogens während des Betriebs erleichtern.

Funktionsweise und Arbeitsprinzip

Das grundlegende Arbeitsprinzip einer Sicherung basiert auf dem Heizungseffekt des durchfließenden Stroms. Bei normalen Betriebsbedingungen bleibt das Metallstreifen oder -element innerhalb der Sicherung stabil, doch bei Überschreitung des Nennstroms erwärmt es sich aufgrund des elektrischen Widerstands. Sobald der Schmelzpunkt erreicht ist, schmilzt das Element und unterbricht den Stromkreis, wodurch Schäden am angeschlossenen Gerät verhindert werden.

Diese Reaktion ist schnell und zuverlässig, sodass die Sicherung bei Überstrom sofort den Schutzmechanismus aktiviert. Nach dem Auslösen muss die Sicherung entweder durch eine neue ersetzt oder, bei wiederaufladbaren Varianten, wieder eingesetzt werden. Sie wirkt somit als Sicherheitsbarriere gegen elektrische Überlastungen und Kurzschlüsse.

Vorteile und Nachteile von Sicherungen

Vorteile:

• Effektiver Schutz vor Überlastung und Kurzschluss.
• Schutz vor potenziell gefährlichen elektrischen Fehlern, die Brände oder Schäden verursachen könnten.
• Geringe Anschaffungskosten und einfache Wartung oder Austausch.
• Leicht und tragbar, ideal für diverse Anwendungen.
• Verhindert teure Reparaturen durch frühzeitigen Schutz.

Nachteile:

• Einmalige Schutzfunktion – nach Auslösen ist ein Austausch notwendig.
• Keine automatische Wiederherstellung des Stromkreises, im Gegensatz zu Leistungsschaltern.
• Falsche Auswahl kann zum unerwünschten Auslösen führen, was Wartung erfordert.
• Manche Sicherungen sind nicht geeignet für sehr hohe Frequenzen oder spezielle Anwendungen.

Fazit

Sicherungen sind unverzichtbare Schutzkomponenten in elektrischen Systemen. Sie gewährleisten die Sicherheit von Geräten und Menschen, indem sie elektrische Überströme frühzeitig erkennen und unterbrechen. Ihre vielfältigen Typen und Designs ermöglichen den Einsatz in verschiedensten Anwendungen, von Haushalten bis hin zu Hochspannungsnetzen. Durch die richtige Auswahl und Wartung tragen Sicherungen erheblich zur Zuverlässigkeit und Sicherheit elektrischer Anlagen bei.