Welche Bauelemente vor Überspannung schützen

Spannungstransienten auf den Leitungen können ein System schädigen oder gar zerstören. Für solche Fälle gibt es eine ganze Reihe verschiedener Bauelemente, die die wertvolle Elektronik schützen sollen. Welche sind verfügbar, welche Eigenschaften haben sie, und welches Bauelement setze ich wo ein?

Spannungstransienten auf den Leitungen können ein System schädigen oder gar zerstören. Für solche Fälle gibt es eine ganze Reihe verschiedener Bauelemente, die die wertvolle Elektronik schützen sollen. Welche sind verfügbar, welche Eigenschaften haben sie, und welches Bauelement setze ich wo ein?

Überspannungen, die üblicherweise in Form von Transienten auftreten, können unterschiedliche Ursachen haben: Blitzeinschläge in der Nähe, von Menschenhand verursachte elektrostatische Entladungen und der normale Betrieb elektrischer Geräte sind die Quellen störender und potenziell schädigender Spannungsspitzen. Die unterschiedlichen Bedrohungen erfordern daher unterschiedliche Schutzelemente. Entwickler elektronischer Schaltungen sollten sich zunächst überlegen, welche ein oder zwei Überspannungsschutzverfahren am besten zu dem betreffenden System passen.

Als nützliche Faustregel gilt: Es eignet sich die Technologie am besten, die dem zu schützenden Bauteil am ähnlichsten ist. In jedem Fall muss sichergestellt sein, dass das Schutzelement auslöst, bevor der zu schützende Schaltkreis beziehungsweise das zu schützende Bauteil geschädigt wird.

Wenn es um den Schutz von Bauteilen geht, die überwiegend mechanischer Natur sind, wie zum Beispiel Schaltstrecken, Kabel oder Relais, dann liegt es nahe, keramische Komponenten wie Gasableiter (GDT) oder Metalloxid-Varistoren (MOVs) zu wählen. Sollen Bauteile geschützt werden, die aus Silizium oder anderen hochempfindlichen Materialien hergestellt sind, bietet sich ein Silizium-Leitungsschutz an. Es gilt zu überlegen, ob die Anwendung eine Klemmschaltung (Clamp) oder einen Kurzschließer (Crowbar) benötigt. Erstere geht wieder in den Normalzustand, sobald die Überspannung behoben ist. Ein Kurzschließer jedoch leitet so lange weiter, bis der Strom unter den Haltewert fällt. Daher sollte ein solches Bauelement grundsätzlich nicht bei Leistungsschaltkreisen verwendet werden.

Gasableiter und Varistoren

Gasableiter, auch als Gasplasma-Ableiter bezeichnet, leiten Transienten durch ein enthaltenes Plasmagas ab und können Stromsspitzen von bis zu 40 000 A bewältigen (Bild 1). Sie haben hohe Isolationswiderstände sowie eine niedrige Kapazität und niedrigen Leckstrom. So beeinflussen sie den normalen Betrieb von Infrastrukturen in der Telekommunikation so wenig wie möglich. Aufgrund ihrer kurzen Reaktionszeit und der Fähigkeit, große Energiemengen abzuleiten, eignen sie sich gut als Blitzschutz, insbesondere für Anlagen, die sich im Freien befinden. Da es sich um Kurzschließer handelt, dürfen sie in Stromversorgungsleitungen nicht ohne Sicherungen verwendet werden.

Varistoren leiten Überspannungen von empfindlichen Komponenten ab. Ihr elektrisches Verhalten ähnelt den gegenläufig geschalteten Avalanche-Dioden (Back to Back) aus Silizium. Als spannungsbegrenzende Komponenten verursachen sie bei Aktivierung in der Leitung keinen Kurzschluss, und sie kehren automatisch wieder in den Normalzustand zurück, sobald die Überspannung behoben ist. Im Wesentlichen gibt es zwei Varianten: Metalloxid-Varistoren (MOVs) und Multilayer-Varistoren (MLVs).

MLVs bieten Schutz vor Überspannungen mit niedriger bis mittelhoher Energie in empfindlichen Geräten von 0 V bis 120 V sowie mit Spitzenbemessungsströmen von 20 A bis 500 A und Nennenergiewerten von 0,05 J bis 2,5 J. Üblicherweise werden sie in Kraftfahrzeugen, Computern, Handheld-Geräten und allgemeinen Industrieanlagen verwendet, wo sie gute Leistungs- und Filtereigenschaften aufweisen und gleichzeitig moderate Kosten verursachen. Da MLVs grundsätzlich als SMT-Bauteile verfügbar sind, weisen sie keine nennenswerte parasitäre Induktivität auf und bieten niedrige Reaktionszeiten von 1 ns bis 5 ns. Aufgrund ihrer vergleichsweise großen Kapazität (bis zu 6000 pF) sind sie nicht für HF-Leitungen geeignet.

Mit Energiebemessungen von 0,1 J bis 10 000 J und Spitzenbemessungsströmen von üblicherweise 40 A bis 70 000 A können MOVs Überspannungen von empfindlichen Schaltkreiskomponenten in vielen unterschiedlichen Anwendungen ableiten. Die kostspieligeren Einheiten am oberen Ende der Produktskala eignen sich für den Überspannungsschutz gegen Blitzschlag oder andere Transienten mit hoher Energie, die in industriellen oder anderen Wechselstromanwendungen auftreten können.

Schutz vor Entladungen

Polymerische ESD-Schutzelemente sind kleine, flinke Bauteile zum Schutz der Elektronik vor Transienten durch elektrostatische Entladung. Dank ihrer Fähigkeit zur Spannungsbegrenzung bei niedriger Kapazität (0,05 pF) sind sie sehr gute Schutzelemente für digitale Hochgeschwindigkeits-E/ALeitungen, die bei 0 V bis 24 V betrieben werden, zum Beispiel HDMI-Schnittstellen. Ihre Kapazität ist niedrig genug, um eine inakzeptable Signalabschwächung zu vermeiden. Allerdings können sie nur relativ wenig Überspannungsenergie aufnehmen.

Schutz-Arrays aus Silizium sind spannungsbegrenzende ESD-Komponenten und sollen analoge und digitale Signalleitungen schützen, wie zum Beispiel Datenleitungen, Tastaturen, analoge Audio-/Video-Schaltkreise, HDMI, USB 2.0 sowie IEEE 1394. Da es sich hierbei um eine Gruppe von Komponenten handelt, ersetzen sie mehrere Einzelkomponenten und sparen somit Platz und Kosten. Zu den typischen Spezifikationen gehören Betriebsspannungen bis zu 30 V, niedrige Leckströme von 20 nA und Kapazitätswerte von 3 pF. Wie die polymerischen ESD-Schutzkomponenten sind sie für niedrige Überspannungsenergien bemessen.

Die Überspannungsschutzdioden (TVS-Dioden) sind im Wesentlichen Silizium-Avalanche-Dioden, die sowohl in unidirektionaler als auch bidirektionaler Ausführung erhältlich sind (Bild 2). Sie bieten Schutz vor Hochspannungstransienten in E/A-Schnittstellen und auf der Versorgungsspannung VCC in empfindlichen Schaltungen in Telekommunikationsgeräten, Computern, Industrieanlagen und Unterhaltungselektronik. Die Bemessungswerte für Leistungsspitzen liegen zwischen 400 W und 50 kW mit Rückwärts-Sperrspannungen von 5 V bis 376 V. Bidirektionale TVS-Dioden werden gelegentlich in AC-Leitungen verwendet, in denen die Präzision ihrer Klemmspannung eine bessere Konsistenz bietet als Metalloxid-Varistoren. Wegen ihrer schweren Konstruktion und großen Sperrschichtbereiche haben sie Kapazitätswerte bis zu 1000 pF. Sie sind daher typischerweise nicht für den Schutz von Hochgeschwindigkeitsleitungen geeignet. Schutz-Thyristoren sind auch als bilaterale Spannungsschalter oder TSPDs (Thyristor Surge Protective Devices) bekannt und eignen sich für die Unterdrückung von transienten Überspannungen in Telekommunikations- und Datenkommunikationsanlagen. Sie können Ströme bis zu 5000 A mit minimalen Spannungsüberschwingungen zu Erde ableiten. Zu den Vorteilen der TSPDs gehören die geringen Spannungsüberschwingungen, stabile elektrische Eigenschaften, Langzeitzuverlässigkeit und geringe Kapazität. Da es sich bei den Thyristoren um Kurzschließer handelt, ist ihre Durchlassspannung sehr gering, was auch nur geringe Verlustleistungen verursacht. Daher sind sie als kleine Bauteile mit extrem hohen Nennstoßströmen erhältlich. Andererseits dürfen sie wegen ihres Kurzschlussverhaltens nur in Schaltungen mit begrenzter Leistung eingesetzt werden. (rh)

Kelly Casey
ist Manager Technology & Market Development bei

Littelfuse
Telefon 089/55 27 66 0
www.littelfuse.com

Siehe auch:

SMD-Sicherungen in Dünnschichttechnik