Wofür B-, C- und D-Charakteristik gut sind

Mir ist mal ein B16 in einem Kreis mit einem größeren Trafo geflogen, obwohl rechnerisch gar keine Überlast vorlag. Der Einschaltstrom des Trafos hat kurz den Schwellwert der magnetischen Auslösung überschritten und der B-Automat hat sofort abgeschaltet, wie er es soll. Ein C-Typ an derselben Stelle hätte das ausgehalten. Bei B, C und D geht es um genau eine Frage: ab welchem Vielfachen des Nennstroms der Automat sofort abschaltet. Mehr oder weniger Schutz insgesamt bedeutet das nicht.

Zwei Auslöser in einem Gehäuse

Ein Leitungsschutzschalter hat zwei getrennte Auslösemechanismen, die unabhängig voneinander arbeiten.

Der thermische Auslöser ist ein Bimetallstreifen, der sich bei Stromfluss erwärmt und sich ab einer bestimmten Temperatur so weit verbiegt, dass er den Schalter auslöst. Er schützt vor Überlast, reagiert aber langsam, im Bereich von Sekunden bis Minuten, je nachdem wie stark der Strom den Nennwert überschreitet.

Der magnetische Auslöser ist eine Spule, die bei ausreichend hohem Strom sofort einen Anker anzieht und den Schalter mechanisch auslöst, unabhängig von der Temperatur. Er schützt vor Kurzschluss und reagiert typischerweise innerhalb weniger Millisekunden.

B, C und D verändern ausschließlich den magnetischen Teil. Der thermische Überlastschutz ist bei allen drei Typen gleich, festgelegt durch die Norm DIN EN 60898-1 unabhängig von der Buchstabenkennung.

Die drei Bereiche

Die Norm definiert für den magnetischen Auslöser drei Vielfache des Nennstroms In, innerhalb derer der Automat garantiert sofort auslösen muss:

Typ	Auslösebereich	Typische Anwendung
B	3 bis 5 × In	Beleuchtung, Steckdosenkreise im Wohnbereich, lange Leitungen
C	5 bis 10 × In	Kleinere Motoren, Trafos, Vorschaltgeräte
D	10 bis 20 × In	Große Trafos, Motoren mit hohem Anlaufstrom, Röntgengeräte

B ist damit der empfindlichste Typ. Ein Gerät mit spürbarem Einschaltstrom, etwa ein größerer Trafo oder ein Elektromotor, kann einen B-Automaten auslösen, obwohl gar kein Fehler vorliegt, einfach weil der kurze Einschaltstromstoß über das Dreifache des Nennstroms hinausschießt. C toleriert diesen Stoß bis zum Zehnfachen, D bis zum Zwanzigfachen.

LED-Leuchten am B10

Mit LED-Leuchten geht das nicht mehr immer gut. Jede LED-Leuchte hat ein kleines Netzteil, den LED-Treiber, und dessen Eingangskondensatoren laden sich beim Einschalten auf einen Schlag auf. Der Stromstoß dauert nur sehr kurz, erreicht bei manchen Treibern aber ein Vielfaches dessen, was die Leuchte im Betrieb zieht.

Bei einem B10 liegt die magnetische Schwelle bei 3 bis 5 × 10 A, also bei 30 bis 50 A. Ein Treiber mit hohem Einschaltstrom kommt da allein schon in die Nähe, mehrere Leuchten am selben Lichtschalter addieren ihre Spitzen. Dann fliegt der Automat beim Einschalten, obwohl im Betrieb nur wenige Ampere fließen. Wie hoch der Stoß ausfällt, hängt davon ab, an welcher Stelle der Sinuswelle der Schalter schließt. Deshalb löst so ein Kreis oft nur ab und zu aus, was die Fehlersuche zäh macht.

Viele Hersteller von LED-Treibern geben im Datenblatt an, wie viele Treiber höchstens an einem B- oder C-Automaten einer bestimmten Größe hängen dürfen. Bei einem Lichtkreis mit vielen Leuchten lohnt der Blick dort vor der Planung. Reicht es nicht, kannst du die Leuchten auf mehrere Stromkreise verteilen, einen Einschaltstrombegrenzer vor die Gruppe setzen oder auf C10 wechseln. Ein C10 schützt aber nur dann zuverlässig, wenn im Kurzschlussfall mindestens 100 A fließen, also das Zehnfache des Nennstroms. Bei langen Leitungen ist das nicht automatisch gegeben.

Die Kennlinie

Die schräg verlaufende graue Linie ist der thermische Bereich, gemeinsam für alle drei Typen: Je stärker der Überstrom, desto schneller kommt die Auslösung, aber im Bereich von Sekunden, nicht Millisekunden. Die drei farbigen Stufen sind der magnetische Bereich der jeweiligen Charakteristik. Sobald die Kurve dort ankommt, fällt die Auslösezeit auf einen Bruchteil einer Sekunde. Der einzige Unterschied zwischen B, C und D ist, bei welchem Vielfachen des Nennstroms diese Stufe beginnt.

Etwas Mathematik zum thermischen Teil

Die Heizleistung im Bimetall folgt der Joule’schen Wärme, $P = I^2 \cdot R$. Der Automat braucht eine bestimmte Wärmemenge $Q$, um die Auslösetemperatur zu erreichen. Vernachlässigt man die Wärmeabgabe an die Umgebung während der Erwärmung, ergibt sich für die Auslösezeit $t$ näherungsweise:

$$t \approx \frac{Q}{I^2 \cdot R} \propto \frac{1}{m^2 - 1}$$

Dabei ist $m = I / I_n$ der Überlastfaktor, also das Vielfache des Nennstroms. Die $-1$ kommt daher, dass der Automat bei exakt $I_n$ im thermischen Gleichgewicht ist und nicht auslöst, erst der Strom oberhalb von $I_n$ trägt netto zur Erwärmung bei.

Diese Näherung erklärt, warum die Kurve so steil abfällt: Verdoppelst du den Überlastfaktor, sinkt die Auslösezeit ungefähr auf ein Viertel. Echte Bimetallauslöser geben während der Erwärmung auch Wärme an die Umgebung ab, wodurch reale Kennlinien etwas flacher verlaufen als diese vereinfachte Formel, besonders bei kleinen Überlastfaktoren nahe $I_n$.

Zwei Prüfpunkte legt die Norm konkret fest: Bei $1{,}13 \times I_n$ darf der Automat innerhalb der Konventionszeit (eine Stunde bis 63 A, zwei Stunden darüber) nicht auslösen. Bei $1{,}45 \times I_n$ muss er innerhalb derselben Zeit auslösen. Zwischen diesen beiden Werten liegt die zulässige Toleranz der Hersteller, die Kurve eines konkreten Geräts kann also etwas anders verlaufen als das Schema oben.

Warum nicht einfach immer D nehmen

Ein D-Automat löst seltener grundlos aus, das klingt erst mal nach dem sichereren Automaten. Dafür lässt ein D-Typ bei einem echten Kurzschluss deutlich mehr Strom durch, bevor er abschaltet, bis zum Zwanzigfachen des Nennstroms. Die Leitung dahinter muss diesen höheren Kurzschlussstrom für die kurze Auslösezeit aushalten, ohne beschädigt zu werden. Bei einer für B oder C dimensionierten Leitung ist das nicht automatisch gegeben. D gehört an Stellen, wo der hohe Einschaltstrom es tatsächlich erfordert, nicht als pauschale Lösung gegen ungewolltes Auslösen.

Wie knapp es werden kann, lässt sich rechnen. Eine Leitung übersteht einen Kurzschluss nur eine bestimmte Zeit, danach nimmt die Isolierung Schaden, das beschreibt dieselbe Art Formel wie oben, nur für die Leitung statt für den Bimetallauslöser:

$$t = \left(\frac{k \cdot S}{I}\right)^2$$

$S$ ist der Querschnitt, $k$ eine Materialkonstante der Isolierung, $I$ der Kurzschlussstrom. Stell Automat und Leitung gegenüber und zieh den Regler:

Nennstrom I_n6 A10 A13 A16 A20 A25 A32 ACharakteristikB (3–5×In)C (5–10×In)D (10–20×In)Querschnitt1,5 mm²2,5 mm²4 mm²6 mm²10 mm²16 mm²IsolierungPVC (k≈115)XLPE/Gummi (k≈143)

Angenommener Kurzschlussstrom: 1.000 A

Bei dünnen Querschnitten und hohen Fehlerströmen kippt die Leitungskurve schnell unter die Auslösekurve, vor allem bei D. Diesen Fall soll die Leitungsdimensionierung nach DIN VDE 0100-430 verhindern. Automat und Kabelquerschnitt müssen zueinander passen.

Welcher Typ wohin gehört

B ist in Wohnungen und Einfamilienhäusern die Grundeinstellung für Steckdosen- und Lichtkreise. Er schaltet einen Kurzschluss schon ab dem Drei- bis Fünffachen des Nennstroms ab, damit ist die Abschaltbedingung auch bei langen Leitungen am ehesten erfüllt. C setze ich nur dort ein, wo ein Einschaltstrom den B-Automaten sonst regelmäßig auslöst, etwa bei Motoren, größeren Trafos oder einem Lichtkreis mit vielen LED-Treibern, für den das Datenblatt keinen B-Typ hergibt. Dann muss die Leitung kurz genug sein, dass im Kurzschlussfall das Zehnfache des Nennstroms fließt. D bleibt den Fällen vorbehalten, in denen ein konkretes Gerät mit hohem Anlaufstrom sonst regelmäßig auslösen würde und nur, wenn die Leitung dafür ausgelegt ist.