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Überspannungsschutz
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Überspannungsschutz, Bauelemente & das Design

Kari Kapanen | Sales Europe | Shenzen Bencent Electronics Co. Ltd.
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH

Eine Überspannung bedeutet, dass eine vorgesehene Spannung sich erhöht und einen Toleranzbereich verlässt. Die Folgen von Überspannungen sind in der Regel Störungen bzw. ein fehlerhaftes Verhalten von Elektrik und Elektronik, die von der Überspannung betroffen sind. Im schlimmsten Fall kann einer Überspannung aufgrund von zu hoher Wärmeentwicklung zerstören oder sogar eine Gefahr für Leib und Leben darstellen.

In der Regel sind Überspannungen transienter Natur. Das sind kurze Impulse, die sich nur im Bereich von Sekundenbruchteilen abspielen. Sie haben sehr kurze Anstiegszeiten im Nano- oder Mikrosekundenbereich und fallen in Folge von einigen 10 bis 100µs wieder ab. Tatsächlich gibt es auch langanhaltende Überspannungen, die jedoch gänzlich andere Ursachen haben und nicht mit den in Folge diskutierten Bauelementen bekämpft werden können.

Grundlagen Überspannungsschutz

Ursachen für transiente Überspannungen

Eine der selteneren Ursachen für transiente Überspannungen, jedoch mit dem größten zerstörerischen Potential,  sind Blitzentladungen (LEMP, Lightning Electromagnetic Pulse). Blitzentladungen können weitaus mehr anrichten als Überspannungen aus Schaltvorgängen oder aus elektrostatischen Entladungen.

Schalthandlungen (SEMP, Switching Electromagnetic Pulse) von großen Leistungen, wie sie z.B. in Stromnetzen oder bei großen Maschinen vorkommen, können sehr hohe Stromänderungen in kurzer Zeit verursachen. Über induktive Einkopplungen führt das zu Überspannungen.

Körper haben die Eigenschaft unter bestimmten Bedingungen sich aufzuladen. Bei Berührung mit einem anderen Körper wird das unterschiedliche Potential ausgeglichen und wird eine elektrostatische Entladung genannt (ESD, Electrostatic Discharge). Erfolgt die Entladung an einem Anschluss eines elektronischen Gerätes kann die Überspannung Schäden dort verursachen.

Einkopplungsarten von Überspannungen

Bei der galvanischen Einkopplung wird die Überspannung direkt in den Stromkreis eingekoppelt. So zum Beispiel bei Blitzschlägen, wo Erdungsleitungen mit einer Spannung beaufschlagt werden.

Große Stromsteilheiten verursachen Überspannungen aufgrund der Längsinduktivitäten mit denen Leitungen behaftet sind. Da die Spannung einer Induktivität mit UL = L * dIL/dt der Veränderung des Stromes proportional ist kann z.B. eine Überspannung beim Schalten großer Lasten entstehen sobald der Strom sprunghaft ansteigt oder abfällt.

Die induktive Einkoppelung beruht auf dem Induktionsgesetz. Eine direkt eingekoppelte Überspannung verursacht im Leiter einen Stoßstrom und dieser wiederum ein Magnetfeld um den Leiter. Das Magnetfeld induziert in Folge eine Überspannung in anderen Leitungen, die ihren Weg in die angeschlossen Elektronik finden.

Die kapazitive Einkopplung erfolgt ein elektrisches Feld zwischen zwei Punkten mit hohem Potenzialunterschied, was sich wie ein Kondensator verhält. Über die Veränderlichkeit des höheren Potentials kann es zu einem Ladungstransport kommen. Das führt zu einer Überspannung in den weiterführenden Leitungen des niedriger gelegenen Potentials.

Die unterschiedlichen Einkopplungsarten: Galvanisch, (links), induktiv (Mitte) und kapazitiv (rechts) (Quelle: Phoenix Contact).

Wirkrichtung der Überspannung

Überspannungen, die zwischen Leiter (L) oder Nullleiter (N) und Erde (PE) auftreten, werden Längsspannungen genannt. Wie aus dem Bereich der EMV (Elektromagnetischen Verträglichkeit) bekannt spricht man von asymetrischer Überspannung (engl. common mode). Asymmetrische Überspannungen können Bauelemente in Mitleidenschaft ziehen, die zwischen Potenzialen und Erde liegen sowie eine sich dazwischen befindliche Isolation.

Überspannungen, die zwischen Leiter (L) und Nullleiter (N) bzw. zwischen zwei Leitern eines Stromkreises auftreten werden Querspannungen genannt. Man spricht von einer symmetrischen Überspannung (engl. differential mode). Symmetrische Überspannungen haben einen unmitttelbaren Einfluss über den Spannungs- und Signaleingang von Geräten, Stromversorgungen oder Schnittstellen. Die Folge ist eine Beeinträchtigung oder Zerstörung der dahinterliegenden elektronischen Schaltung und deren Bauelemente aufgrund einer Überlastung.

Wirkrichtungen der Überspannung: Längsspannung (links) und Querspannung (rechts) (Quelle: Phoenix Contact)

Überspannungsschutzbauelemente

Bauelemente, die vor Überspannungen schützen, sind parallel zur folgenden Schaltung angebracht und schließen im Allgemeinen die zu hohe Energie kurz. Sie wird anschließend gegen Erde oder den Nullleiter abgeleitet. Überspannungsschutzbauelemente lassen sich dabei in zwei Verhalten unterschieden. Gasableiter und TSS-Dioden z.B. sind Schaltelemente, heißt, dass im Auslösefall nach einer Reaktionszeit die Spannung am Überspannungsschutzbauelement stark absinkt oder auch nahezu null wird. Andere Bauelemente begrenzen im Auslösefall auf eine bestimmte Klemmspannung (engl. clamping voltage), ab der das Bauelement den maximalsten Strom führt.

Je nach Höhe der zu erwartenden Überspannung und des notwendigen Schutzgrades kann der Überspannungsschutz kaskadiert werden. Das hängt vom zu erwartenden Ausmaß der Überspannung ab und was in Folge ohne Beschädigung toleriert werden kann. In der Elektronik besteht ein primärer Überspannungsschutz meist aus Gasableitern und/oder Varistoren. Dieser begrenzt die Überspannung auf eine erstes Niveau und dient als Grobschutz. Der nachfolgende sekundäre Überspannungsschutz reduziert die Energie weiter. Das sind meist kleinere Bauelemente wie TVS-Dioden (TVS, Transient Voltage Suppressor) oder Bauelemente auf Thyristorenbasis (TSS, Thyristor Surge Suppressor). Der primäre und sekundäre Überspannungsschutz muss sich nicht zwingend in unmittelbarer Nähe zueinander befinden.

Eine Überspannung kann sich auf ihrem Weg z.B. aufgrund kapazitiver und induktiver Elemente (EMV-Filter) abschwächen. Deswegen ist als Faustregel zu beachten, dass die Klemmspannung geringer sein sollte, je näher sich das Überspannungsschutzbauelement an der zu schützenden Schaltung befindet. Auch, um sich der Größenordnung der regulären Spannung der zu schützenden Schaltung anzupassen. Dabei ist jedoch auch zu beachten, dass der Weg vom letzten Überspannungsschutzbauelement bis zur Schaltung ebenso wieder ein Einkopplungspfad für Überspannungen darstellt.

Überspannungsschutzbauelemente sind im Allgemeinen, je nach Technologie, mehr oder weniger mit einer parallelen Kapazität belegt. In hochfrequenten Signal- oder Datenpfaden (GHz, Gbit/s) muss die Kapazität sehr klein gewählt werden, um eine Verfälschung des Signals zu vermeiden. Je nach Anwendung kann die Kapazität auch als eine gewollte einfache EMV-Filterung (EMI) darstellen und bewusst gewählt werden. Die Kapazität eines Überspannungsschutzbauelements ist in der Regel im Datenblatt angegeben. Bestimmte Serien bieten auch Varianten mit höheren oder niedrigeren Kapazitäten.

Überspannungsschutzbauelemente, die im Auslösefall kurzschließen, sollten nicht in der Netzspannung oder vor einer Stromversorgungseinheit alleine geschaltet werden. Das kann Beschädigungen durch den Spannungsabfall im Auslösefall verursachen. Eine Ausnahme bilden ggf. Gasableiter. Hier muss dann die Lichtbogenspannung (arc voltage) des Fehlerfalls höher gewählt werden als die maximale Betriebsspannung (Peak-Peak). Gängiger ist es jedoch Gasableiter und Metalloxid-Varistoren (MOV) als Überspannungsschutzbauelemente bei Netzspannung oder Stromversorgungen zu schalten. Entweder Varistoren alleine oder Varistoren und Gasableiter in Serie zusammen. Letztere Variante bietet ein höheres Energie-Absorbtionsvermögen und eine bessere Langlebigkeit. Die Degradierung von Varistoren im Laufe von Überspannungsereignissen kann mit Gasableitern verlangsamt werden und der Varistor verhindert den sogenannten "Netzfolgestrom" bei einem Gasableiter.

Es gibt unidirektionale und bidirektionale Ausführungen von Überspannungsschutzbauelementen. Unidirektionale Varianten lösen nur aus wenn die Überspannung sich an einem Pol befindet. Beim Einbau ist darauf zu achten, dass es sich um ein gepoltes Bauelement handelt. Bidirektionale Varianten lösen demnach immer aus, egal mit welcher Polung die Überspannung beaufschlagt wird. Der Einbau des Bauelementes ist somit unkritisch, da die Polung keine Rolle spielt. Eines muss einem immer bewusst sein: Ein 100%iger Schutz ist nicht möglich. Ein Schutz kann nur mit entsprechender Dimensionierung vergrößert oder verbessert werden.

Thyristor Überspannungsschutzkomponenten

TSS-Komponenten (Thyristor Surge Suppressor), werden auch SIDACs (Silicon Diode for Alternating Current) genannt und sind Halbleiter. TSS-Komponenten schließen kurz im Überspannungsfall. Es gibt unidirektionale und bidirektionale Ausführungen. TSS-Komponenten sind werden gerne in Ethernet (auch PoE), Slic, DSL und RSxxx Applikationen eingesetzt.

Struktur, Schaltbild und Kennlinie TSS-Komponente

Mit der Arbeitspannung weniger als VDRM verhält sich die TSS-Komponente offen bzw. hat nur einen geringen Leckstrom. Erhöht sich die Spannung öffnet sich der Halbleiter und wird niederohmiger. Über VS schließt die TSS-Komponente ähnlich einer Avalanche-Diode quasi kurz. Sobald der Strom unter IH sinkt geht das Bauteil wieder in den ursprünglichen offenen Zustand zurück.

Wichtige Parameter

  • VDRM & IDRM: Spannung und Strom bis zu deren Werten die TSS-Komponente im offenen Zustand (nicht leitend) bleibt
  • V& IS: Schaltstrom und –spannung, die TSS-Komponente schaltet durch und hat einen sehr geringen Widerstand
  • VT&IT: On-state-Spannung und On-state-Spannung, Strom und Spannung im geschalteten Zustand
  • Ipp: Maximaler Impulsstrom, den die TSS-Komponente verursacht durch eine transiente Spannung verarbeiten kann
  • IH: Haltestrom. Ist der minimalste Strom der benötigt wird, um die TSS-Komponente im geschalteten (kurzgeschlossenen) Zustand zu halten. Fällt der Strom darunter, geht der Halbleiter wieder in den offenen Zustand über
  • C0: Die Kapazität der TSS-Komponente

Die Dimensionierung

  • VDRM: Muss über der höchsten Betriebsspannung der Folge-Schaltung liegen
  • VS: Muss kleiner sein als die transiente Spannung, die die Folge-Schaltung ohne Ausfall verarbeiten kann
  • IH: Muss höher sein als der Betriebstrom der Folge-Schaltung
  • C0: Muss entsprechend gewählt werden, um der minimalen Grenzfrequenz zu entsprechen.

ESD-Überspannungsschutzelemente

ESD-Überspannungsschutzelemente (Electro-Static Discharge) sind eine spezielle Art von TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor), die folgende Schaltungen vor elektrostatischen Entladungen schützen. Sie begrenzen die transiente Spannung auf einen bestimmten Wert (clamping voltage) und schließen nicht kurz. Sie verfügen über extrem schnelle Ansprechzeiten im Nanosekundenbereich und darunter. ESD- Überspannungsschutzelemente werden überwiegend eingesetzt, um Schnittstellen im I/O-Bereich (auch VSS, Vdd) vor Entladungen zu schützen, die durch Berührungen entstehen. Das sind beispielsweise USB, HDMI, VGA, RS232, RS485, RJ45, RJ11, BNC, etc. Anschlüsse an Geräten. Da diese Schnittstellen in der Regel über mehrere Anschlüsse verfügen werden hier Bauformen angeboten, die mehrere ESD-Schutzbauelemente in einem Gehäuse zusammenfassen (Arrays). Der Eigenkapazität kommt in diesem Anwendungsbereich eine hohe Bedeutung zu, da meist sehr hochfrequente Signale übertragen werden. Eine zu große Kapazität kann die Signalqualität beeinträchtigen.

Struktur, Schaltbild und Kennlinie ESD-Komponente

Wichtige Parameter:

  • VRWM(VDRM): Reverse stand-off voltage, Sperrspannung, das ist der Spannungsbereich in dem das ESD-Schutzbauelement sich hochohmig verhält. Die VRWM ist definiert als die maximale positive und negative Spannung, bei der der durch die Diode fließende Strom eine bestimmte Stromstärke nicht überschreitet. Idealerweise wäre diese 0, in der Realität ist das ein Leckstrom oder Sperrstrom im nA-Bereich
  • IR: Reverse leakage current, Leckstrom, fließt im gesperrten Zustand
  • VBR: Reverse breakdown voltage, Durchbruchspannung, bezeichnet den höchsten Spannungswert, bis zu dem nur der Sperrstrom fließt. Ab Spannungen darüber wird das Bauelement leitend und niederohmig
  • VCL: Clamping voltage, Klemmspannung, ist der Spannungswert auf den die Überspannung begrenzt wird bzw. bei maximalen Strom geführt wird
  • IPP: Peak pulse current, Strom bei höchster Klemmspannung
  • PPP: Peak Pulse Power Dissipation, Impulsverlustleistung, ist die maximale Energie, die eine transiente Überspannung im Bauelement in Wärme umwandeln darf, ohne es zu beschädigen
  • C0: Eigenkapazität

Dimensionierung

  • VRWM: Muss höher sein, als die maximale Betriebsspannung der zu schützenden Schaltung
  • VCL: Muss niedriger sein als die transiente Spannung, die die Folge-Schaltung ohne Ausfall verarbeiten kann
  • C0: Eigenkapazität, muss entsprechend gewählt werden, um der minimalen Grenzfrequenz zu entsprechen. Bewusst gewählt kann sie auch die EMV unterstützen
  • PPP: Peak Pulse Power (PPP=Vc*Ipp), muss größer oder gleich sein mit dem Absorptionsvermögen der folgenden Schaltung. Ein höherer Wert verlangt im Allgemeinen nach einer größeren Bauform.

Mehr zu ESD-Bauelementen

Die TVS-Diode, Suppressordiode

Die TVS-Diode, oder Suppressordiode, ist als Überspannungsschutzbauelement weit verbreitet. Es begrenzt die transiente Spannung auf eine Restspannung (clamping voltage), hat eine schnelle Reaktionszeit und kann vorübergehend große Überspannungen absorbieren. Die Schaltung erfolgt parallel vor der zu schützenden Schaltung. Im normalen Zustand ist die TVS-Diode (TVS: Transient Voltage Suppressor) offen, es fließt nur ein Leckstrom. Im Fall einer vorübergehenden transienten Überspannung öffnet die TVS-Diode und leitet den Strom ab. Die Klemmspannung bleibt auf einem für die folgende Schaltung sicherem Niveau. Nach der Überspannung geht die TVS-Diode wieder in den geöffneten Zustand zurück. TVS-Dioden werden oft als sekundäres Schutzelement vor Schaltungsabschnitten bei niederen Spannungen eingesetzt. Die Erhältlichkeit von TVS-Dioden sind bis zu rund 500V Durchbruchspannung erhältlich, bestehen jedoch ab ca. über 100V aus einer seriellen Schaltung mehrerer Einzeldioden. Letzteres ist relativ kostenintensiv. Die primäre Schutzfunktion übernehmen dann beispielsweise Varistoren und Gasableiter, die auch für hohe Betriebsspannungen wie z.B. Netzspannungen geeignet und erhältlich sind.

Struktur, Schaltbild und Prinzip einer TVS-Diode

Wichtige Parameter

TVS-Dioden sind unidirektional und bidirektional erhältlich. In der Regel gibt es zu einer Diode mit bestimmten Kennwerten ein bidirektionales Schwesterbauteil. Bidirektionale Dioden haben zwei symmetrische Dioden in gleiche Struktur integriert, jedoch gegeneinander geport, Unidirektionale TVS-Dioden werden bei DC-Versorgungen präferiert.

Kennlinien uni- und bidirektionaler TVS-Dioden

  • VR: Reverse stand-off voltage, Sperrspannung, die Spannung bis zu der die TVS-Diode nicht nennenswert leitet
  • VBR: Reverse breakdown voltage, Durchbruchspannung, die Spannung, ab der die TVS-Diode in einen leitenden Zustand übergeht
  • VC: Clamping voltage, Klemmspannung, ist der Spannungswert auf den die Überspannung begrenzt wird bzw. bei maximalen Strom geführt wird
  • IDRM (IR): Reverse leakage current, Leckstrom, fließt im gesperrten Zustand
  • IPP: Peak pulse current, Strom bei höchster Klemmspannung
  • PPP: Peak Pulse Power Dissipation, Impulsverlustleistung, ist die maximale Energie, die eine transiente Überspannung in der Suppressordiode in Wärme umwandeln darf, ohne sie zu beschädigen
  • It: Test current, Strom bei VBR
  • C0: Eigenkapazität

Die Dimensionierung

  • VR: Muss höher sein, als die maximale Betriebsspannung der zu schützenden Schaltung. Anhaltspunkt: VR = 1,4Un, oder VBR = 1,5Un, mit Un = Betriebsspannung der Schaltung
  • VCL: Muss niedriger sein als die transiente Spannung, die die Folge-Schaltung ohne Ausfall verarbeiten kann
  • PPP: Peak Pulse Power (PPP=Vc*Ipp), muss größer oder gleich sein mit dem Absorbtionsvermögen der folgenden Schaltung. Ein höherer Wert verlangt im Allgemeinen nach einer größeren Bauform. Mit der Dimensionierung von PPP ist zu beachten, dass mit zunehmender Temperatur auch PPP abnimmt (Derating). Aus diesem Grund ist die Umgebungstemperatur der Applikation zu berücksichtigen, in der die TVS-Diode eingesetzt wird.
  • C0: Prüfung inwiefern die Kapazität die Signalintegrität beeinträchtigt. Das ist der Fall, wenn die TVS-Diode zwischen Signalpfad und der Masse platziert wird. Zum anderen ist es auch möglich, die Eigenkapazität für die Entstörung zu nutzen.

 

Derating einer TVS Diode über Temperatur, Forn Testimpuls, Höhe der Spitzenleistung des Impulses über Impulslänge bei gleichem Energieinhalt

Mehr zu TVS-Dioden

Der Gasableiter

Die Funktionsweise eines Gasableiters (engl. gas discharge tube, GDT) unterscheidet sich fundamental von Überspannungsschutzbauelementen auf Halbleiterbasis.

In einem mit Gas gefüllten abgedichtetem Gehäuse befinden sich zwei Elektroden gegenüber. Sobald die Spannung (Durchbruch- oder Zündspannung) einen bestimmten Wert übersteigt wird die Funkenstrecke mit einer Ionisierung des Gases überwunden und der Gasableiter leitet durch. Im Auslösefall hat der Gasableiter einen kurzschließenden Charakter und begrenzt die Spannung nur auf einen geringen Wert. Gasableiter können aufgrund ihrer Konstruktion sehr hohe Ströme und Energien verarbeiten und sind bidirektional.

Gasableiter: Schematische Darstellung, Bestandteile und Kennlinie

Im normalen Betriebsmodus verhält sich der Gasableiter quais offen im Gigaohmbereich, besitzt sehr vernachlässigbare Leckströme und ist somit unsichtbar in der Schaltung. Aufgrund dieser Eigenschaften ist der Gasableiter sehr gut geeignet an Schutzleiter (PE) angeschlossen zu werden, um den Berührschutz vor Netzspannungen sicherzustellen.

Gasableiter sind mit Ansprechzeiten im µs-Bereich träger als Überspannungsschutzbauelementen auf Halbleiterbasis. Oft werden Gasableiter als primäres Grobschutzelement eingesetzt. Den sekundären Schutz übernehmen im Anschluss Halbleiterbauelemente mit schnelleren Ansprechzeiten wie z.B. TVS-Dioden. Darüberhinaus haben Gasableiter sehr geringe Eigenkapaziäten.

Im leitenden Zustand entsteht aus der Netz- oder Versorgungsspannung ein sogenannter Netzfolgestrom. Dieser hält solange an bis der Gasableiter wieder in den hochohmigen Zustand übergeht, was einige Millisekunden dauern kann. Aus diesem Grund ist der Anschluss eines Gasableiters ohne weitere Elemente in der Regel nur an Wechselstrom sinnvoll, da mit dem Nulldurchgang der Übergang in den unausgelösten Zustand einfacher möglich ist. Gleichstrom würde das verhindern, weil der ausgelöste Zustand anhält.

Wichtige Parameter

  • VBR, DC-Breakdown Voltage: Durchbruchspannung bei Gleichspannung. Diese wird mit 100V/s angegeben. Heißt die angelegte Spannung am Gasableiter wird um 100V/s erhöht und der Wert, ab dem das Bauelement leitet wird angegeben
  • Impulse Sparc-Over Voltage: Zündspannung bei transienter Überspannung. Wird mit 1.000V/µs gemessen. Ein geringerer Wert der Zündspannung bei gleicher Durchbruchspannung bedeutet eine schnellere Ansprechzeit
  • VA, Arc Voltage: Lichtbogenspannung, bezeichnet die Spannung, die der Gasableiter im ausgelösten Zustand hat. Wir oft bei 1A angegeben. Der Parameter definiert auch die Verlustleistung im leitenden Zustand
  • Impulse Discharge Current, Surge Current: Stoßentladestrom, ist der maximale Strom, den der Gasableiter ohne Zerstörung nach Beaufschlagung mit einem Impuls (in der Regel 8/20µs) verarbeiten kann

Die Dimensionierung

  • DC-Breakdown Voltage: Muss höher sein, als die maximale Spannung der zu schützenden Schaltung
  • Impulse Sparc-Over Voltage: Diese muss geringer sein als die maximale Spannung, die die folgende Schaltung ohne Ausfälle verarbeiten kann
  • Arc Voltage: Im Falle einer alleinigen Verwendung eines Gasableiters vor einer Stromversorgung muss die Lichtbogenspannung größer sein als die maximale Versorgungsspannung
  • Impulse Discharge Current: Dieser muss höher sein, als die nachfolgende Schaltung erlaubt. Kann die nachfolgende Schaltung nur maximal 5.000A vertragen, muss ein Ableiter mit einem Stoßentladestrom >5.000A gewählt werden.

Mehr zu Gasableiter

Der Varistor

Varistoren sind nicht-lineare Widerstände. Die Bezeichnung ist ein Kunstwort aus "variable resistor". Varistoren sind bis zu einer definierten Spannung hochohmig und werden dann sehr schnell niederohmig. Die U/I-Kennlinie beschreibt dabei ein angenähert stark exponentielles Verhalten. Wie bei einer TVS-Diode begrenzt der Varistor die transiente Überspannung auf eine Restspanung (clamping voltage).

Varistoren sind gesinterte keramische Bauelemente. Die mit MOV abgekürzten Metalloxid-Varistoren werden meist aus Zinkoxid hergestellt. Die gesinterten Zinkoxidkörner bilden an ihren Berührungspunkten Sperrschichten. Mit der Zunahme einer angelegten elektrischen Spannung werden die Sperrschichten abgebaut und der Widerstand sinkt. Metalloxid-Varistoren werden als Standardbauform in Scheiben oder für ein noch größeres Energieabsorptionsvermögen in Blöcken angeboten. Sie können mit hohen Spannungen betrieben werden und eignen sich deswegen sehr gut als Überspannungschutzelement in Stromversorgungsleitungen. Nachteilig bei Metalloxid-Varistoren ist, dass mit jedem Ereignis einer Überspannung, die Sperrschichten zwischen den Körnern im Zuge von einer Wärmeentwicklung allmählich verschwinden. So verändert sich der Varistor zunehmend zu einem Widerstand, was wiederum in eine vermehrte Wärmeentwicklung und Degradierung mündet. Ab einem bestimmten Zeitpunkt schützt der Varistor die Folgeschaltung nicht mehr ausreichend. Datenblätter geben hierüber Aufschluss und es gibt auch höherwertige Serien, die mit einer größeren Anzahl an Überspannungsereignisssen belastet werden können.

Eine weitere Form sind Multilayer-Varistoren (MLV), die in ihrem Aufbau dem der Keramikkondensatoren ähneln. Zwischen dünnen Metallschichten liegen feine Zinkoxid-Schichten. Die Metallschichten sind gemeinsam zu Elektroden verbunden. Mit diesen Strukturen lassen sich sehr gut SMD-bestückbare und miniaturierte Varistoren in standardisierten Bauformen (z.B. 0201, 0402,...) realisieren. Multilayer-Varistoren sind aufgrund der kleineren Bauformen nur für Spannungen bis ca. 120V erhältlich und sind im Energieabsorptionsvermögen begrenzter. Aufgrund der miniaturisierten Bauform werden Sie gerne in Signalleitungen oder auch als ESD-Schutz eingesetzt. 

U/I-Kennlinie Varistor

Unterschiede TVS-Dioden und Multilayer-Varistoren (MLVs)

TVS-Dioden und Multilayer-Varistoren (MLVs) haben ein sehr ähnliches Verhalten. Tatsächlich ist die Struktur und die Fertigungsmethode vollkommen unterschiedlich (siehe oben). Im Allgemeinen können MLV mit TVS-Dioden ausgetauscht werden, tatsächlich gibt es jedoch Unterschiede, die beachtet gehören.

In erster Linie ist die TVS-Diode ein unidirektionales Bauelement. Bidirektionale TVS-Dioden sind zwei in umgekehrter Richtung parallel verschaltete TVS-Dioden in einem Gehäuse. MLVs sind, wie alle Varistoren bidirektional. Wie oben beschrieben unterliegen Varistoren einer Degradierung im Laufe von Überspannungs-Ereignissen. Hier verhalten sie TVS-Dioden wesentlich robuster und degradieren wenig bis gar nicht. MLVs sind in sehr kleinen Bauformen erhältlich, was in miniaturisierten Applikationen von Bedeutung sein kann. Im Allgemeinen haben MLVs eine um die Größenordnung 10, 100 höhere Kapazität und sind tendenziell für den Überspannungschutz in Gigabit-Datenleitungen weniger geeignet. Tatsächlich wurden auch Serien entwickelt mit sehr geringen Kapazitäten, die ggf. in den Kosten einen Aufschlag verlangen. Richtig eingesetzt, kann die Eigenkapazität der Bauelemente für die Entstörung verwendet werden. Ein wichtiger Punkt bei der TVS-Diode ist das Derating über Termperatur, das schon bei 25°C beginnt. Bei höheren Umgebungstemperaturen hat das eine erhebliche Auswirkung auf das Energieabsorbtionsvermögen und weitere Parameter, die zur Schutzfunktion beitragen. Bei MLVs setzt ein Derating über Temperatur erst ab ca. 85°C ein.

Wichtige Parameter Varistoren

  • VRMS, VAC: Empfohlene (maximale) Betriebsspannung im AC-Betrieb
  • VDC: Empfohlene (maximale) Betriebsspannung im DC-Betrieb
  • Isurge, Imax: Maximaler Strom bei einem definierten Impuls. Die Impulsform (z.B. 8/20µs) wird dabei angegeben
  • Wmax: Maximales Energieabsorbtionsvermögen (in Joule), mit Angabe eine Zeitraumes (z.B. in ms)
  • Pmax: Maximum power dissipation, maximale Leistungsdissipation (in Watt)
  • VVAR, V1mA: Varistorspannung, Spannung bei 1mA
  • Vcl, VC: Maximale Klemmenspannung (clamping voltage)
  • C0: Eigenkapazität (in F)
  • Bauform: Z.B. EIA für MLVs: 0201, 0402,... oder Scheibendurchmesser von MOVs

Die Dimensionierung

  • VRMS, VAC: Muss gleich oder höher sein als die Betriebspannung im Normalbetrieb
  • Isurge, Imax, Wmax, PmaxDie Bestimmung dieser Werte hängt von vielen Faktoren ab und würde den Rahmen hier übersteigen. Die Ermittelung der Werte kann mit Simulationen, Testschaltungen, mathematische oder auch grafische Berechnungen erfolgen. Folgende Fragen sind hierbei wichtig:
    -Welchen Impuls (Stärke und Form) muss die zu schützende Schaltung ohne Beschädigung überstehen können? Anforderungen sind im Allgemeinen in Normen (z.B. IEC 61000-4-x) festgelegt und formuliert. Ebenso sind applikationsspezifische Normen und Standards zu berücksichtigen.
    -Welche verbleibende Energie kann die zu schützende Schaltung ohne Beschädigung absorbieren?
    -Wieviele Überspannungs-Ereignisse sind erlaubt bis eine bestimmte Degradierung des Schutzelementes oder Beschädigung der Folgeschaltung eintritt? Welchen zeitlichen Abstand dürfen die Überspannungs-Ereignisse haben?
    -Auch: In welchem Verhältnis darf das Budget der Überspannungsschutzes im Vergleich zur zu schützenden Folgeschaltung stehen? Tatsächlich werden aus diesen Gründen in vielen Fällen (kleinere) Bauformen gewählt, die dann nicht so hoch belastbar sind. In Abwägung lieber die größere Bauform wählen.
  • Vcl, VC: Abgleich des maximalen Spannungsanstieges (clamping voltage) des gewählten Varistor im Falle einer Überspannung, so dass die Folgeschaltung nicht beschädigt wird.
  • Bauform: Wahl einer passenden Bauform, die den Anforderungen der Applikation entspricht.
  Gasableiter (GDT) TVS TSS ESD MOV, MLV
Prinzip Spalt mit Gas PN-Übergang PN-Übergang PN-Übergang Metalloxid
Art des Schutzes Schalter Klemmspannung Schalter Klemmspannung Klemmspannung
Absorptionsvermögen Hoch Mittel Mittel gering Hoch
Spannungsbereich ca. in V 75 - 3.600 5 - 500 6 - 800 3 - 36 4 - 1400
Leckstrom ca. pA, nA <5µA <5µA <5µA <20µA
Isolationswiderstand GΩ kΩ - MΩ MΩ kΩ - MΩ kΩ - MΩ
Kapazität <pF Mittel, je nach Absorptions-vermögen  Mittel, je nach Absorptions-vermögen  Gering Höher, abhängig von der Bauform und Absorptionsvermögen
Reaktionszeit µs ns ns ns µs
Fehlermodus offen kurz kurz kurz kurz

 
Eigenschaften der unterschiedlichen Technologien von Überspannungsschutzbauelementen

Übersicht der Blitzschutzzonen (Lightning Protection Zones, LPZ)

Das Konzept der Blitzschutzzone wurde in der Norm IEC 62305-4, einem internationalen Standard für Blitzschutz, entwickelt und beschrieben. Das LPZ-Konzept basiert auf der Idee, die Blitzenergie schrittweise auf ein sicheres Maß zu reduzieren, um das Endgerät nicht zu beschädigen. Das LPZ-Konzept erleichtert die Planung, Umsetzung und Überwachung umfassender Schutzmaßnahmen. Bei diesem Ansatz wird das Gebäude in Zonen mit unterschiedlichen Gefährdungspotentialen unterteilt. Anhand dieser Zonen werden die Spannungsstöße (surges) und deren Stärken ermittelt, die für Simulationen in Testumgebungen notwendig sind.

Darstellung der Lighting Protection Zones (LPZ)

Blitzschutzzonen (Lighting Protection Zones, LPZ)

LPZ0A (nicht dargestellt): Es handelt sich um eine ungeschützte Zone außerhalb des Gebäudes und ist direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt. Im LPZ 0A gibt es keine Abschirmung gegen elektromagnetische Störimpulse LEMP (Lightning Electromagnetic Pulse)

  • LPZ0B: Wie LPZ 0A befindet es sich ebenfalls außerhalb des Gebäudes, jedoch ist LPZ 0B durch das äußere Blitzschutzsystem geschützt, normalerweise innerhalb des Schutzbereichs des Blitzableiters. Auch hier gibt es keine Abschirmung gegen LEMP
  • LPZ0B-1: Telekommunikationselektronik auf Basisstationen
  • LPZ0B-2: Elektronik/Anlagen auf Dächern oder anderen höher gelegenen Vorrichtungen
  • LZP 0B-3: Elektronik/Anlagen allgemein im Freien, an außen gelegenen Wänden oder Aufhängungen
  • LPZ1: Ist die Zone im Gebäude. Überspannungen aus Blitzschlägen sind hier vorhanden jedoch in abgeschwächter Form. Das Niveau ist gegenüber draußen, um mindestens die Hälfte reduziert. Zwischen den Bereichen LPZ0B und LPZ1 sollte ein Klasse 1/Typ 1 SPD (surge protection device) installiert werden
  • LPZ2: Weitere Zone im Gebäude mit geringen transienten Überspannungen. Zwischen den Zonen LPZ2 und LPZ1 sollten sich Klasse 2/ Typ 2 SPDs befinden.

SPDs für obige Anwendungen bestehen meist aus Varistoren und Gasableitern, die in Gehäuse, z.B. für die Hutschienenmontage, eingebaut und mit Anschlüssen versehen sind.

Übersicht Parameter der Testimpulse in Abhängigkeit der Lighting Protection Zones und Anschlüssen.

Die Parameter der Testimpulse mögen in bestimmten Standards und Anwendungen unterschiedlich sein. Die Stärke der Testimpulse kann sich, je nach Standard oder Testgerät auf die Spannung oder den Strom beziehen.

Topologien für den Überspannungsschutz

Schritte zum richtigen Überspannungsschutz

Je nach LPZ und der erforderlichen Normen ist der Überspannungsschutz unterschiedlich zu aufzubauen bzw. dimensionieren. Ein besserer Schutz kann immer gewählt werden, jedoch müssen auch Kosten und physische Abmessungen berücksichtigt werden. Im ersten Schritt ist die Auswahl der relevanten Norm wichtig.

Aus der Norm müssen die erforderlichen Anforderungen gelistet werden und danach können die Bauelemente dimensioniert werden. Im Folgenden werden einige typische Standardtopographien gezeigt für die Realisierung des Spannungsschutzes. Diese erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und müssen vor Verwendung sorgfältig geprüft werden.

Netzspannung Primärschutz Klasse 1

Blitzschutzzone: LPZ0B-3

Allgemeine Schutzschaltung (Surge Protection Device SPD) Klasse 1 für den Übergang von LPZ0zu LPZ1.

Dimensionierung der Varistoren gemäß der Netzspannung.
Gasableiter L-N mit VBR = ca. 600V, Stoßentladestrom: ≥5kA
Gasableiter N-PE mit VBR = ca. 3.600V, Stoßentladestrom: ≥3kA

Starke Schutzschaltung mit einem gewissen Platzbedarf. Die Varistoren verhindern einen Netzfolgestrom bei einem Überspannungsereignis. Die Gasableiter verhindert Leckströme durch den Varistor und verlängert dadurch die Lebensdauer des Varistors. Mit dem sehr hochohmigen Gasableiter wird der Berührschutz mit PE sichergestellt.

2in1: Varistor-Gasableiter-Kombination

Netzspannung Primärschutz Klasse 2

Blitzschutzzone: LPZ1

Allgemeine Schutzschaltung (Surge Protection Device SPD) Klasse 2 für den Übergang von LPZ1 zu LPZ2.

Dimensionierung der Varistoren gemäß der Netzspannung.
Gasableiter N-PE mit VBR = ca. 3.600V, Stoßentladestrom: ≥3kA

Starke Schutzschaltung mit einem gewissen Platzbedarf. Mit dem sehr hochohmigen Gasableiter wird der Berührschutz mit PE sichergestellt.

DC Versorgungsspannung

Blitzschutzzone: LPZ0B-3

Überspannungsschutz DC-Eingang mit Gasableiter als Grobschutz und als Feinschutz TVS-Diode.

Dimensionierung Gasableiter mit VBR = ca. 150V bis 600V, Stoßentladestrom: ≥2kA
Dimensionierung TVS-Diode mit ca. VR = 1,4UDC. PPP ≥ ca. 600W

 

DC Versorgungsspannung

Blitzschutzzone: LPZ1 & LPZ2

Überspannungsschutz DC-Eingang mit TVS-Diode.
Test-Level LPZ1: 1,2/50µs - 8/20µs, CM/DM 2kV/1kA
Test-Level LPZ2: 1,2/50µs - 8/20µs, CM/DM 300V/150A

Dimensionierung mit ca. VR = 1,4UDC. PPP ≥ ca. 1.000W für LPZ1. Für LPZ2 darunter.

 

RJ11, VDSL

Blitzschutzzone: LPZ0B-3

Überspannungsschutz RJ11, DSL-Eingang mit Gasableiter als Grobschutz und als ESD-Dioden als Feinschutz.

Dimensionierung Gasableitermit VBR = ca. 400V bis 800V, Stoßentladestrom 2-5kA 
Dimensionierung ESD-Dioden mit ca. VDRM = 12V, PPP ≥ 150W und C0 ≤ 2pF.

 

RS485

Blitzschutzzone: LPZ0B-3

Überspannungsschutz RS485 mit TSS-Komponente.

Dimensionierung mit ca. VDRM = 6 bis 25V, VS = 40 bis 60V, C0 ≤ 2pF.

 

USB 2.0

Blitzschutzzone: LPZ2

Überspannungsschutz USB 2.0 Eingang mit ESD-Diode.

Dimensionierung ESD-Dioden mit ca. VDRM = 5V, PPP ~ 100W und C0 ≤ 1.5pF. 

 

USB 3.0

Blitzschutzzone: LPZ2

Überspannungsschutz USB 3.0 Eingang mit ESD-Dioden bei erhöhten Anforderungen.

Dimensionierung ESD-Dioden für 5V, G+, G- und GND mit ca. VDRM = 5V, PPP ~ 100W und C0 ≤ 1.5pF.
Dimensionierung ESD-Dioden für Superspeed-Anschluss (SS*) mit ca. VDRM = 3,3V, PPP ~ 50W und C0 ≤ 0.5pF. 

 

RJ45, 1G

Blitzschutzzone: LPZ1

Überspannungsschutz RJ45 ESD-Dioden und TSS-Komponenten.

Dimensionierung ESD-Dioden mit ca. VDRM = 3,3V, PPP ≥ 300W und C0 ≤ 1.5pF.
Dimensionierung TSS-Komponenten mit ca. VDRM = 50 bis 400V, VS = 80 bis 500V, C0 = 30 bis 100pF.

 

RJ45, 1G PoE

Blitzschutzzone: LPZ1

Überspannungsschutz RJ45 mit ESD-Dioden und Gasableitern.

Dimensionierung ESD-Dioden mit ca. VDRM = 3,3V, PPP ≥ 300W und C0 ≤ 1.5pF.
Dimensionierung Gasableiter 1 mit VBR ca. 90V, Stoßentladestrom: ≥5kA.
Dimensionierung Gasableiter 2 mit VBR ca. 800V, Stoßentladestrom: ≥3kA.

 

Gerne beraten wir Sie gerne bei Fragen zum Überspannungsschutz im Rahmen von individuellen Applikationen und Anforderungen.

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