Strombelastbarkeit

Elektrische Leitungen sind oft sehr großen Stromstärken ausgesetzt. Teilweise müssen sie nicht nur die normalen betriebsmäßig auftretenden Ströme beherrschen, sondern auch auftretende Kurzschlussströme, welche ein Vielfaches des normalen Betriebsstroms betragen, verkraften. In der Kfz-Elektrik werden Massebänder als Rückleiter eingesetzt und müssen die hohen Stromstärken des Anlassers (je nach Kfz-Typ einige hundert Ampere) sicher zur Batterie leiten. Diese Massebänder müssen stromtragfähig sein. Die Stromtragfähigkeit eines elektrischen Leiters wird bestimmt vom Querschnitt, von der Form, von der Umgebungstemperatur und von der Verlegeart.

Der Querschnitt eines Leiters ist ein wesentlicher Faktor für seine Strombelastbarkeit. Dabei gilt, je größer der Querschnitt, desto größer die Strombelastbarkeit. Allerdings ist diese Strombelastbarkeit nicht proportional zum Querschnitt. Die jeweilige Strombelastbarkeit von Rechteckleitern mit Normquerschnitten ist aus den Tabellen der VDE-Vorschriften zu entnehmen. Da es bei Massebändern neben den Normquerschnitten auch viele „Zwischengrößen“ gibt, ist die Strombelastbarkeit des jeweiligen Massebandes aus den Herstellerunterlagen zu ersehen.

Die Form eines Leiters ist mit entscheidend für seine Wärmeableitfähigkeit. Je größer seine Oberfläche ist, umso besser ist seine Wärmeableitfähigkeit. Rechteckleiter und somit Massebänder haben eine bis zu 70 % größere Oberfläche als Rundleiter gleichen Querschnitts.

Die Umgebungstemperatur ist ein weiterer Faktor, der bei der Strombelastbarkeit eines elektrischen Leiters zu beachten ist. Der Leiter wird durch den in ihm fließenden Strom erwärmt. Diese Wärme muss an die Umgebungsluft abgegeben werden. Hierbei spielt die Temperatur der Umgebungsluft eine wesentliche Rolle. Ist der Leiter wärmer als die ihn umgebende Luft, kann er Wärme abgeben, andernfalls nimmt er Wärme auf. Die mögliche Umgebungstemperatur ist bei der Dimensionierung des Massebandes mit zu berücksichtigen.

Die Verlegeart eines stromführenden Leiters ist mit entscheidend für seine Wärmeableitfähigkeit und somit indirekt auch für seine Strombelastbarkeit. Gerade bei Massebändern, die mit einem hohen Dauerstrom belastet werden, ist dies eine Komponente, die nicht zu vernachlässigen ist. In geschlossenen Gehäusen kann es zu einem Wärmestau kommen, wenn diese Wärme nicht genügend abgeführt wird. So erreicht die Temperatur z. B. im Motorraum eines Kfz oft Werte von 70 Grad Celsius oder mehr.

Ohmscher Widerstand

Massebänder sollen einen niedrigen ohmschen Widerstand besitzen. Der ohmsche Widerstand eines Massebandes setzt sich aus zwei Teilwiderständen zusammen:

• Leitungswiderstand
• Übergangswiderstand

Der Leitungswiderstand eines Massebandes wird beeinflusst von der Länge, dem Querschnitt und von dem verwendeten Leitermaterial. Massebänder sollten so kurz wie möglich sein. Ihr Querschnitt sollte, der Strombelastung angemessen, so groß wie nötig sein. Als Leitermaterial wird überwiegend Elektrokupfer verwendet. Manchmal kommt auch so genanntes OFC – Kupfer zum Einsatz, dies ist ein sauerstofffreies Kupfer. Beide Kupfersorten haben einen Reinheitsgrad von 99,995 % und einen Leitwert von mindestens 58 m/Ω*mm². Dies bedeutet, dass ein 200 mm langes Masseband mit 16 mm² Querschnitt, einen Leiterwiderstand von gerade mal 216 µΩ hat. Es gibt Massebänder aus blanken, verzinnten oder mit galvanischen Überzügen aus Silber oder Neusilber (Nickel-Zink-Kupfer-Legierung) versehenen Kupferdrähten.

Der Übergangswiderstand an den Anschlusskontakten des Massebandes wird von drei Faktoren beeinflusst:

• Hautwiderstand
• Engewiderstand
• Anpressdruck

Der Hautwiderstand entsteht dadurch, dass Metalle an der Luft eine Oxydschicht bilden. Die Stärke und die elektrische Leitfähigkeit dieser Oxydschicht sind abhängig vom jeweiligen Material. Metalle mit sehr kleinem Hautwiderstand sind Legierungen wie Neusilber oder die Edelmetalle Gold und Silber.

Der Engewiderstand ist abhängig von der Oberfläche des Materials. Da keine Oberfläche absolut glatt ist, kommt es an den Berührungsstellen zu mehr oder weniger großen Kontaktflächen. Die Größe der Kontaktflächen ist entscheidend über die Höhe des Engewiderstandes. Dabei gilt, je größer die Summe der Einzelkontaktflächen, umso kleiner ist der resultierende Gesamtwiderstand. Die Anschlusskontakte von Massebändern sollten deshalb möglichst groß sein. Ein Anschlusskontakt mit einer quadratischen Fläche Breite * Breite ist dabei ein optimaler Kompromiss.

Der Anpressdruck hat einen Einfluss auf den Engewiderstand und somit auf den Übergangswiderstand. Durch den Anpressdruck kommt es zu einer leichten Deformation der Oberfläche und somit zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche. Allerdings darf der Anpressdruck nicht zu groß sein, da das Masseband sonst beschädigt wird. Dieser optimale Anpressdruck lässt sich mit einem speziellen Drehmomentschraubendreher erzielen. Dadurch werden eine Beschädigung des Massebandes und ein Überdrehen der Scheibe verhindert. Gleichzeitig sorgt der optimale Anpressdruck dafür, dass es nicht zu einem so genannten Wackelkontakt kommt.

Leitungsimpedanz

Jeder elektrischen Leitung (somit auch einem Masseband) kann man einen Kapazitätsbelag (Kapazität je Längeneinheit) und einen Induktivitätsbelag (Induktivität je Längeneinheit) zuordnen. Außerdem besitzt jeder elektrische Leiter einen spezifischen Leiterwiderstand (Ohm je Längeneinheit), der zu berücksichtigen ist. Aufgrund des breiten Einsatzspektrums eines Massebandes wirkt die Leitungsimpedanz in unterschiedlicher Art und Weise in ihm.

Bei Gleichstrom wirkt nur der Leitungswiderstand, bestehend aus Leiterwiderstand und Übergangswiderstand.

Bei niederfrequentem Wechselstrom setzt sich die Impedanz (Z) des Massebandes zusammen aus Leitungswiderstand (${\displaystyle R_{ltg}}$) und induktivem Blindwiderstand (${\displaystyle X_{L}}$). Bis zu einer Frequenz von etwa 10 kHz überwiegt der ohmsche Widerstand.

${\displaystyle Z_{ltg}={\sqrt {R^{2}+X_{L}^{2}}}}$

Ab einer Frequenz von 10 kHz beeinflusst zusätzlich zum induktiven Blindwiderstand der kapazitive Blindwiderstand der parasitären Leistungskapazitäten die Impedanz des Massebandes.

Es wirkt nun der Blindwiderstand (Reaktanz): ${\displaystyle Z_{L}=L^{\prime }/C^{\prime }}$

Diese Beeinflussung macht sich aber nur bei so genannten Leitungspaaren (also Hin- und Rückleiter), z. B. bei Massebändern, die als Strombänder eingesetzt werden, ggf. bemerkbar.

Ab 100 kHz macht sich die Wirkung des Skin-Effektes, mit einer Eindringtiefe von 0,21 mm, sehr stark bemerkbar. Ab etwa 1 GHz ist die Eindringtiefe mit 2,1 µm so gering, dass nur noch der Skineffekt die Höhe der Leitungsimpedanz bestimmt. Hier wirkt sich die große Oberfläche des Massebandes positiv aus. Metallische Überzüge aus Silber bewirken einen niedrigen Hochfrequenzwiderstand des Massebandes.

Oberhalb 1 MHz kann der ohmsche Leitungswiderstand vernachlässigt werden, da er sehr klein ist gegenüber dem, durch die Leitungsinduktivität hervorgerufenen, induktiven Blindwiderstand X_L. Gemäß einer Faustregel beträgt die Selbstinduktivität 1 µH / m (Länge l >> Durchmesser d) bei einem Rechteckleiter. Dabei spielt die Größe des Querschnitts eines Rechteckleiters keine Rolle. Diese Faustregel gilt aber nur für einen langen Leiter im freien Raum, wobei der Leiter sehr viel länger sein muss als sein Durchmesser (mindestens 100-mal so lang). Außerdem muss der Leiter von anderen Leitern soweit entfernt verlegt sein, dass er nicht durch Wechselwirkungen von den benachbarten Leitern beeinflusst wird.

Bei Frequenzen, die über 10 MHz liegen, ist die Induktivität von Rechteckleitern, somit auch von Massebändern, theoretisch um 20 % geringer als bei Rundleitern gleich großen Querschnittes. Damit der durch die Selbstinduktion hervorgerufene induktive Blindwiderstand möglichst klein ist, sollten Massebänder so kurz wie möglich sein.

Hochfrequenzwiderstand

Aufgrund des Skineffektes ist es ab einer Frequenz von etwa 1 GHz nicht mehr wichtig, wie groß der Querschnitt des Leiters ist, sondern nur noch, wie groß seine Oberfläche ist. Die größte Oberfläche haben dünne Metallfolien, allerdings haben diese Folien keine genügende Festigkeit und sind somit nicht verwendbar.

Der Hochfrequenzwiderstand (${\displaystyle R_{\mathrm {HF} }}$) ist ein Produkt aus Gleichstromwiderstand (R) und Vergrößerungsfaktor (n) und lässt sich näherungsweise errechnen:

${\displaystyle R_{\mathrm {HF} }=R\times n}$

Der Vergrößerungsfaktor (n) berechnet sich:

${\displaystyle n=k\times d\times {\overline {sf}}}$

dabei beträgt die Konstante für Kupfer k = 3,75

Mit der Skinfrequenz (${\displaystyle {\overline {sf}}}$)

${\displaystyle {\overline {sf}}=F\times 10^{6}}$

Daraus resultiert die Formel:

${\displaystyle R_{\mathrm {HF} }=R\times k\times d\times {\overline {sf}}}$

Im Hochfrequenzbereich ist die Länge der Leitung entscheidend für die Impedanz. Deshalb sollen Massebänder für den Hochfrequenzbereich ein Länge-zu-Breite-Verhältnis von 3:1 bis maximal 5:1 haben, um die Induktivität und somit letztendlich den Hochfrequenzwiderstand gering zu halten.

Mechanische Festigkeit

Während des Betriebes sind Massebänder den unterschiedlichsten mechanischen Belastungen ausgesetzt. Sie werden geknickt, gestreckt, verdreht, hin und her gebogen und über scharfe Kanten geführt. Alle diese Belastungen müssen sie teilweise über sich ergehen lassen und dennoch viele Jahre funktionieren. Die Zugfestigkeit von reinem Kupfer beträgt 200 N/mm² in weichem Zustand. Bei kaltverfestigtem Kupfer beträgt die Zugfestigkeit 360 N/mm².

Flexibilität

Massebänder werden sehr oft in engen Gehäusen eingebaut oder müssen Maschinen- bzw. Gehäuseteile miteinander verbinden, ohne weit hervorzustehen. Hier haben sie aufgrund ihrer Form entscheidende Vorteile gegenüber Rundleitern. Sie sind an drehenden Maschinen Vibrationen ausgesetzt oder werden in sich verdreht, um Gehäuseteile miteinander niederohmig, leitend zu verbinden. Aufgrund ihrer Bauform sind Massebänder deshalb sehr flexibel und besitzen dabei die erforderliche mechanische Festigkeit.

Vorteile

• gute Wärmeableitung wegen großer Oberfläche
• niedrige Impedanz
• große Flexibilität
• gut biegsam
• universell einsetzbar (außer in Kabeln)

Nachteile

• wegen der Form nicht verwendbar in Kabeln
• Herstellung ist aufwendiger als bei Rundleitern