Zitat Zitat von Anfänga Beitrag anzeigen
Das mit der Wärme klingt verständlich.

Das heißt (nehmen wir das Beispiel mit dem 3A und 10V Netzteil) wenn mein Netzteil keinen Strombegrenzer hätte, könnte er auch mehr als 3A liefern?
Das ist wie mit dem Auto, das macht z.B. 200kmh Spitze.
Schneller geht's nur, wenn man über die Klippe fährt, ist dann aber einmalig.

Eine Gartenbank ist z.B. für 250kg Belastung ausgelegt, bei mehr Belastung bricht sie dann irgendwann durch.

Beim Netzteil ist das auch nicht anders.
Schlussendlich erfolgt die Zerstörung bei einer Überlastung durch Wärme, aber die eigentlichen Ursachen sind meist andere physikalische Effekte.

Die maximale Leistung welche ein Transformator übertragen kann, hängt von der Frequenz und der Menge an Eisen ab. Mit zunehmender Leistung brauch man mehr Eisen und mit zunehmender Frequenz braucht man weniger Eisen. Deshalb haben Netzteile für 50Hz auch schnell einmal eine fetten Trafo drin, wenn da 100W übertragen werden müssen. Schaltnetzteile arbeiten dann mit Frequenzen von 16kHz bis zu einigen MHz, weshalb man für die selbe Leistung nur einen kleinen Trafo benötigt.
Ein physikalisches Probleme ist, dass sich das Eisen nur bis zu einem gewissen Punkt magnetisieren lässt. Auch wenn die Feldstärker weiter steigt magnetisiert dies das Eisen nicht weiter, diesen Punkt nennt man Sättigung.
Also mal ganz von Vorne:
Bewegt man einen Leiter in einem Magnetfeld, erzeugt dies ein Spannung im Leiter.
Beim Trafo ist der Draht fest und das Magnetfeld bewegt sich, die wird dauernd auf- und abgebaut.
Das Eisen hat die Aufgabe das Magnetfeld zu Verstärken und zu Bündeln. Das Eisen ist für ein Magnetfeld, so ähnlich wie ein Draht für Strom.
So, legen wir jetzt eine Spannung am Trafo an, fliesst ein Strom durch die Spule welcher ein Magnetfeld erzeugt, dieses baut sich aber mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf. Das Mass wie schnell sich das Magnetfeld aufbaut ist die Induktivität und die Einheit ist Henry.
Das sich bewegende Magnetfeld erzeugt nun in der Spule eine Spannung, welche der angelegten Spannung entgegengesetzt ist (Gegeninduktion). Dadurch wird der Strom in der Spule erst einmal begrenzt und steigt eben nur langsam an. Kommt das Eisen in die Sättigung, verstärkt sich das Magnetfeld nicht mehr, die Gegeninduktion fällt weg und der Trafo macht eigentlich einen Kurzschluss.
Wenn wir jetzt mit 0V anfangen baut sich das Magnetfeld mit zunehmender Spannung bis zur Spitzenspannung des Wechselstroms auf. Geht dann die Spannung wieder Richtung 0V, wird das Magnetfeld entsprechend abgebaut und danach geht das Spiel mit umgekehrten Vorzeichen wieder los.
Bei 50Hz hat man 10ms für eine Halbwelle, in dieser Zeit darf das Eisen noch nicht in die Sättigung kommen. Bei 60Hz sind es aber nur 6.3ms. Deshalb wird ein 60Hz-Trafo an 50Hz schnell mal heiss, weil das Eisen ein paar ms in die Sättigung fährt. Ein mit 60Hz betriebener 50Hz-Trafo hat das Problem nicht, der macht ja locker 10ms mit.
Nun ist aber das Ummagnetisieren des Eisens mit Arbeit verbunden, was zu den Eisenverlusten führt. Man ist also bestrebt so wenig Eisen wie möglich zu verbauen, hinzu kommt noch das Gewicht. Deshalb ist ein 60Hz-Trafo knapp 20% leichter und kleiner als sein 50Hz Vetter.
Das war auch der Grund, wieso man bei Flugzeugen ein 400Hz-Bordnetz verwendet. Die Trafos haben bei 400Hz etwa 12.5% des Gewichts, bezogen auf 50Hz. Damals waren 400Hz die wirtschaftliche Grenze für Leistungs-Trafos.
Verluste gibt es dann auch noch im Spulendraht, der hat ja auch noch einen elektrischen Widerstand.
Nun gibt es noch ein Optimum für die Verluste, welches dann erreicht wird, wenn die Eisen- und Kupferverluste in etwa gleich sind.
Wenn das Eisen in Die Sättigung kommt, wird der Strom nur noch durch den Kupferwiderstand begrenz, an diesem Punkt steigen dann die Verluste überproportional an.
Schlussendlich werden die ganzen Verluste in Wärme umgewandelt und der Trafo wird gut gebraten.

Es gibt noch einen Trick um einen Trafo Kurzschlussfest zu machen, man baut im Eisenkern einen Luftspalt ein. Allerdings wird dabei der Wirkungsgrad recht hundsmieserabel Praktisch wird dies aber bei Klingel- und Schweisstrafos eingesetzt. Beim Schweisstrafo ist der Luftspalt verstellbar und man kann so den Schweissstrom einstellen. Wobei dies heute elektronisch gelöst wird.

Widerstände erzeugen einen Spannungsabfall und erzeugen dadurch Wärme. Hier gilt Strom x Spannung ist die Leistung. Der Widerstand muss diese Wärme aber irgendwie an die Umgebung abgeben, sonst wird er zu heiss und verbrennt. Eine Elektroheizung ist auch nur ein Widerstand.

Bei Halbleitern ist die Temperatur einer der Grenzwerte. Silizium-Halbleiter sind bis etwa 175°C stabil. Teilweise verträgt aber das Gehäusematerial nur kleinere Temperaturen.
Dann gibt es noch andere Probleme. Bezogen auf den Querschnitt ist bei einem Halbleiter der Widerstand nicht so ganz gleichmässig verteilt. Strom nimmt nun aber immer den Weg des geringsten Widerstandes. An einer Stelle mit geringerem Widerstand fliesst dann ein etwas höherer Strom. Dadurch wird diese Stelle etwas wärmer. Nun sind Halbleiter-Übergänge (p-n, n-P) aber Heissleiter, mit zunehmender Temperatur leiten sie besser. Es fliesst also an diesem Punkt ein noch grössere Teilstrom. Der Strom erzeugt nun aber auch ein Magnetfeld, welches den Stromfluss zusammendrückt. Das schaukelt sich dann in ms so stark auf, dass ein Hot Spot entsteht und das Silizium an dieser Stelle schmilzt!
Das Problem tritt aber erst ab einer bestimmten Stromdichte (A/mm2) auf. Bei Halbleitern wird der sichere Bereich im Datenblatt als SOA (Save Operating Area) bezeichnet. Dieser Bereich wird durch maximale Spannung, Verlustleistung und Stromdichte begrenzt.

Begrenzend wirken auch die Bonddrähte. Transistoren und ICs werden mit dünnen Gold- oder Aluminiumdrähten mit den Anschlussbeinchen verbunden. so ein Bonddraht hat 6-8µm Durchmesser, so in etwa 1/10 eines Haares. Bei zu hohen Strömen brennen diese einfach weg.

Das sind jetzt noch lange nicht alle Effekte, welche bei einer Überlastung zu einer Zerstörung führen können.
Der Job des Entwicklers ist es nun, alle Bauteile so auszuwählen, dass diese bei vorgesehener Belastung nicht gleich durchbrennen.

Trafos und Motore sind noch die gutmütigsten Bauelemente, was Überlastung angeht. Das viele Eisen braucht Zeit um Warm zu werden. So einen 630kVA Trafo, wie in das EVU im Quartier verwendet, kann man schon so 20-30 Minuten überlasten, bis es anfängt kritisch zu werden.

MfG Peter(TOO)