Überspannungsschutz Transienten kostengünstig unterdrücken

Bei der Entwicklung von elektrischen Stromkreisen ist es das Hauptziel, die gewünschte Funktion des Produktes zu erreichen. Dabei müssen Entwickler sorgfältig auf ungewollte wechselseitige Beeinflussung der verwendeten Bauelemente achten. Neben Überhitzung und hochfrequenter elektromagnetischer Störstrahlung gibt es auch externe Effekte, zum Beispiel Überstrom oder Überspannung auf der Versorgungsleitung. Welche Schutzbausteine gibt es für solche Transienten? Wie arbeiten diese und wie sieht eine kostenoptimierte Lösung aus?

Damit eine Schaltung durch Transienten auf der Versorgungsleitung keinen Schaden nimmt, sollten alle elektrischen Baugruppen Elemente enthalten, die am besten »unsichtbar« in der Lage sind, den Stromkreis bei unerwarteten Ereignissen wie Hochspannungstransienten zu schützen. Diese Transienten werden vor allem durch plötzliche Lastwechsel der angeschlossenen Stromkreise, Schwankungen von Stromquellen, elektronische Störungen durch gekoppelte Leitungen, Schaltereignisse, Blitzschlag oder ESD verursacht.

Es gibt zwei Arten von Bauelementen, die sich dazu eignen, auftretende Überspannungstransienten zu unterdrücken: Klemm-Schutzbauelemente sowie »Crowbar«-Bausteine. Klemm-Schutzbauelemente leiten so lange nicht, bis die Überspannung die Durchbruchspannung erreicht, also die Schwelle, für die die Bauelemente konzipiert wurden. Bei Überschreiten dieses Wertes werden die hohen Spannungsspitzen abgeschnitten, die Spannung wird auf ein konstantes Niveau »geklemmt« (Bild 1).

Fällt die Spannung wieder unter die Durchbruchspannung, kehren die Bauelemente wieder in den nicht leitenden Zustand zurück. Zu den Klemm-Schutzbauelementen zählen Suppressor-Dioden (Transient Voltage Suppressor Diodes) und Varistoren (Metalloxid-Varistoren, Multi-Layer-Varistoren, etc.) und auf Polymertechnologie basierende ESD-Schutzbauelemente.

Die andere Art Bauelemente arbeitet nach der sogenannten »Brechstangen«-Charakteristik (Crowbar). Überschreitet die Transientenspannung die Durchbruchspannung, fällt die Spannung auf ein sehr niedriges Niveau, wobei die zu schützende Schaltung mit einer sehr niedrigen Impedanz gegen Masse geklemmt wird (Bild 2).

Bei Rückkehr zu den Normalbedingungen setzt sich ein solches Überspannungsschutzbauelement jedoch nicht automatisch zurück. Der Stromfluss muss gänzlich unterbrochen werden, um die Ableitung zu stoppen. Die häufigsten Crowbar-Schutzbauelemente sind Gasableiter (Gas Discharge Tubes) und Thyristoren. Im Folgenden sollen diese verschiedenen Bauteile charakterisiert werden. Eine Übersicht bieten auch die Tabellen 1 und 2.

Typ
Vorteile
Nachteile
Klemm-Schutzbauelement
begrenzt Spannungen auf die Klemmspannung, schnelle Ansprechzeit (<0,1 ns) bei Suppressor-Dioden
begrenzte Leistung, Kapazität wächst mit steigender Leistung
Crowbar-Schutzbauelement
leitet Stoßspannungen gegen Masse ab, hohe Nennleistung
möglicherweise Schwierigkeiten beim Ausschalten, kann keine Energie absorbieren
Tabelle 1: Vorteile und Nachteile von Klemm- und Crowbar-Schutzbauelementen
Bauelement
Vorteile
Nachteile
Sonstiges
MOV
geringe Kosten, Transienten-Energie wird als Wärme abgeführt, hohe Stoßstromfestigkeit
Alterungseffekt, hoher Leckstrom und hohe Klemmspannung, nichtlineares UI-Verhalten, hoher Unterschied zwischen Nenn- und Klemmspannung (etwa Faktor 4), hohe Kapazität, mittlere Reaktionszeit, thermisch instabil
bidirektional, Leistung steigt mit wachsender Scheibengröße
MLVgeringe Kosten, kleine Baugröße, exzellentes Verhältnis Volumen zu Energie, geringe KapazitätAlterungseffekt, hoher Leckstromkürzere Ansprechzeit als MOVs, geringe Nennspannungen
Polymer-Bauelementsehr geringe Kapazität, geringer Leckstrom, kurze Ansprechzeit, kleine Baugröße, geringe Kostenbegrenzte Lebensdauer in Fehlerfällenhohe Trigger-Spannung
TVS-Diodekein Alterungseffekt, uni- und bidirektional, sehr schnelle Ansprechzeit, geringer Unterschied zwischen Nenn- und Durchbruchsspannung, sehr geringer Leckstromrelative hohe Kosten, geringere StoßstromleistungEinzel-, Arraybaustein oder Kombination mit anderen Diodenarten verfügbar, Bauelemente mit sehr geringen Kapazitäten verfügbar
GDThohe Stoßströme, hohe Impedanz im nicht leitenden Zustand, geringe Kapazität, geringer Leckstromrelativ geringe Ansprechzeit, relativ teuer, hohe Ansprechspannungen, ein zusätzliches Bauelement wird zur Löschung benötigthoher Basiswiderstand, nach Zündung extrem geringer Widerstand
Thyristor
hohe Stoßstromfestigkeit, hohe Impedanz im nicht leitenden Zustand, geringer Leckstrom, kein Alterungseffekt
schwieriges Ausschalten
schnellere Ansprechzeit als Varistoren, jedoch geringere als TVS-Dioden
Tabelle 2: Detaillierte Vorteile und Nachteile der verschiedenen Schutzbauelemente