Vielschichtvaristoren Keramik kappt Überspannung

Eine neue Keramik in Vielschichtvaristoren erzielt einen kompakten und zuverlässigen Überspannungsschutz. Der Fortschritt ist substanziell und beruht auf einer Dotierung mit einem speziellen Metalloxid, das eine feinere Kornstruktur bewirkt.

Überspannungen und die damit einhergehenden Stoßströme können zu Schäden in elektrischen und elektronischen Geräten führen. Sie haben verschiedene Ursachen, unterschiedliche Energie und werden über unterschiedliche Pfade eingekoppelt.

ESD-Impulse (elektrostatische Entladungen), die nach IEC 61000-4-2 gemessen werden, bedrohen hauptsächlich Kommunikationsgeräte. Die Impulsspannung beim Test beträgt 8 kV (Kontaktentladung) oder 15 kV (Entladung über Luft), die Anstiegszeiten liegen im Nanosekundenbereich und die Energie erreicht einige Millijoule. Zum Schutz vor ESD-Ereignissen bietet TDK miniaturisierte »CeraDiode«-Varistoren für unterschiedliche Spannungen an. Die kleinste Bauform misst 0,4 mm x 0,2 mm Grundfläche und ist 0,1 mm hoch. CeraDiode-Varistoren eignen sich bevorzugt für mobile Applikationen wie Smartphones, Tablets und Wearables.

Eine weitere Form der Überspannung wird durch Blitzeinschläge oder Lastabwürfe verursacht und hauptsächlich auf Stromversorgungsleitungen eingekoppelt. In diesen Fällen treten Impulsströme im Kiloamperebereich mit Anstiegszeiten im Mikrosekundenbereich auf. Die Energie dieser Impulse kann mehrere tausend Joule erreichen, sie ist damit um Zehnerpotenzen größer als bei ESD-Ereignissen. Die Fähigkeit eines Bauelements solche Impulse zu verkraften, wird nach IEC 61000-4-5 mit den Impulsformen 8/20 µs für den Kurzschlussstrom und 1,2/50 µs für die Leerlaufspannung geprüft (Bild 1a und Bild 1b). Schutzbauelemente sind so zu bemessen, dass sie den erwarteten maximalen Ableitströmen und Energien sicher standhalten. Entsprechende Varistoren waren deshalb bisher voluminös.

Neue Keramik für kompakte Bauform

Für die Schutzbauelemente der neuen »High-Surge«-Serie hat TDK eine neue Keramik entwickelt, welche die Vielschichtvaristoren dieser Serie besonders kompakt und leistungsfähig macht. Die besseren Eigenschaften beruhen auf einem höheren Dotierungsgrad des ZnO-Varistors mit einem speziellen Metalloxid, das zu einer feineren Kornstruktur führt. Daraus ergeben sich mehr aktive Korngrenzen pro Volumeneinheit. Die Stromdichte konnte auf diese Weise um mehr als Faktor 3 im gleichen aktiven Volumen des Bauelements gesteigert werden. Gleichzeitig steigt die relative Permittivität, wodurch sich eine höhere elektrische Feldstärke erzielen lässt (Bild 2).

Kleinere Klemmspannung und höhere Leistung

Infolge der besseren elektrischen Eigenschaften kann bei einer bestimmten Spannungsklasse des Varistors die Anzahl der inneren Elektroden erhöht werden. Dies steigert die Stoßstrombelastbarkeit des Bauelements bei gleicher Baugröße beziehungsweise die geforderte Belastbarkeit lässt sich bereits mit kleinerer Baugröße erreichen. Konkret heißt das: Varistoren bieten üblicherweise mit der Bauform EIA 2220 eine Stoßstrombelastbarkeit von 1200 A (8/20 µs). TDK ist es unter Verwendung der neuen Keramik gelungen, dieselbe Belastbarkeit schon mit der Bauform EIA 1210 zu erreichen. Dies bedeutet eine Volumenreduzierung um mehr als den Faktor 3. Die neuen Varistoren eignen sich für das IoT und die Industrie 4.0, da dort Miniaturisierung eine zunehmend wichtige Rolle spielen.

Mehr Sicherheit – weniger Schutzbauelemente

Die höhere zulässige Feldstärke der Keramik und die gestiegene Anzahl der inneren Elektroden führt zu einer niedrigeren »Klemmspannung« der Bauelemente. Diese Klemmspannung tritt bei ESD-Ereignissen zusammen mit dem Stoßstrom am Bauelement auf. Je höher die Klemmspannung am Varistor, umso größer ist auch die elektrische Leistung und damit die Energie, die der Varistor aufnehmen muss. Im Umkehrschluss bedeutet dies: Kleinere Klemmspannungen erlauben bei konstanter Energieaufnahme eine höhere Strombelastbarkeit. So ist der Vielschichtvaristor CN2220K50E2GK2 von Epcos bei 135 V Klemmspannung mit 10 A spezifiziert. Der neue »High-Surge-Low-Clamp«-Typ CT2220S50E3G erlaubt bei derselben Klemmspannung hingegen Stoßströme bis 400 A (Bild 3).

Um mit SMT-Vielschichtvaristoren eine möglichst hohe Stoßstrombelastbarkeit zu erreichen, werden häufig mehrere der Bauelemente parallel geschaltet. Da Varistoren Spannungstoleranzen von ±20 % aufweisen, sind gut aufeinander abgestimmte Bauelemente erforderlich. Dies verursacht Kosten. Ein weiterer Nachteil ist, die elektrische Charakteristik einzelner Bauelemente weicht voneinander leicht ab. Ein ESD-Ereignis belastet deshalb die Bauelemente mit unterschiedlichen Strömen und nicht selten fällt der am stärksten belastete Varistor aus. Die TDK-Keramik reduziert dieses Sicherheitsrisiko. Denn unter Verwendung des neuen Werkstoffs werden Varistoren gefertigt, die in einem Bauelement eine hohe Stoßstrombelastbarkeit und damit Schutzwirkung bieten. Zudem kann die Anzahl der Schutzbauelemente reduziert werden. Dies reduziert die Leiterplattenfläche sowie die Kosten für den Materialeinsatz und die Montage. (vw)

Über den Autor:

Carlos Augusto Schlabitz Filho ist Dipl.-Ing. Electronic Engineering Product Marketing Manager bei TDK.

Kenndaten für Varistoren der High-Surge-Serie von Epcos 
Bauform (EIA)1210  bis 2220
Arbeitsspannungmax. 65 V(DC)
Varistorspannung bei 1 mAmax. 85 V(DC)
Stoßstrombelastbarkeit (8/20 µs)bis zu 1 x 5000 A und 10 x 3500 A
Klemmspannung bei 200 Amax. 135 V (mit neuer Keramik)
Energieabsorption (2 ms)max. 15.000 mJ
Betriebstemperaturmax. +125 °C