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Überspannungsschutz

Transienten kostengünstig unterdrücken

29. August 2012, 10:51 Uhr | Von Mike Kiraly

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Klemm-Bausteine

Metalloxid-Varistoren (MOVs) sind spannungsabhängige Widerstände, die aus einer Matrix aus Zinkoxid bestehen, die wiederum mit Wismutoxid oder andere Metalloxiden versetzt ist (Bild 3). Der Zusammenschluss von Hunderten von Körnchen fungiert wie hunderte einzelne Dioden als Parallel- und Reihenschaltung. Beim Auftreten eines Überspannungsereignisses wird somit der Strom über eine Vielzahl von Verbindungen verteilt.

Durch Variation der Korngröße lassen sich die Dicke und die Fläche und dadurch die Parameter der Strom- und Spannungsgrenzen definieren. Durch diesen Herstellungsprozess sind MOVs symmetrisch bidirektional aufgebaut. Wegen ihres günstigen Preises werden sie oft als Schutz vor Überspannungen verwendet. Jedoch weisen sie eine negative Eigenschaft auf: Sie altern. Dies bedeutet, dass MOVs nur eine begrenzte Anzahl von Stoßströmen ohne wesentliche Änderung ihrer Charakteristik ableiten können. Dabei gilt: Je höher die Überspannung, desto geringer die Anzahl der Impulse, die ein MOV in seinem Leben verarbeiten kann.

Im Falle einer Überlast wird ein MOV kurzgeschlossen, wobei einige Körner miteinander verschmelzen, sodass sich das Bauteil erwärmt. Jeder weitere Fehler führt zu weiteren Verschmelzungen, wodurch das Bauelement immer mehr Wärme erzeugt. Dies kann dazu führen, dass die Leiterplatte verkohlt oder das Bauteil im schlimmsten Fall sogar Feuer fängt. Daher ist es wichtig, einen Varistor thermisch zu überwachen. Hierbei können Entwickler auf marktgängige Produkte in Kombination mit Temperatursicherungen oder temperaturabhängigen PPTCs zurückgreifen.

Mehrschichtvaristoren (Multi-Layer Varistor, MLV) eignen sich gut dafür, Überspannungen und/oder elektrostatische Entladung (ESD) in einem sehr kleinen Gehäuse zu begrenzen. Dabei verwenden Hersteller wesentlich feinkörnigere Metalloxide als bei MOVs. Da jede zweite Schicht mit der gleichen Elektrode verbunden ist, stellt dieser Schichtaufbau eine deutlich größere Querschnittsfläche für das aktive Ableiten von Transienten dar, was dazu führt, dass MLVs ein exzellentes Volumen-/Energieverhältnis und eine kürzere Ansprechzeit als MOVs aufweisen.

Die spannungsabhängigen Widerstände zeichnen sich durch ihre symmetrische Spannungs-Strom-Charakteristik und den genauen Durchbruchbereich aus. Der Widerstandswert sinkt bei steigender Spannung, wobei dieses Kurzschlussverhalten die Spannung weiter steigen lässt. Suppressor-Dioden (Transient Voltage Suppressor Diodes, TVS) dienen dem Schutz von Ein- und Ausgängen elektronischer Schaltungen vor kurzfristigen Überspannungsimpulsen. Diese Bauelemente auf Siliziumbasis haben einen pn-Übergang ähnlich einer Zenerdiode, aber mit einer größeren Querschnittsfläche, die proportional zu ihrem Spitzenstromrating ist.

Gegenüber Zenerdioden besitzen sie bei höheren Strömen eine steilere Kennlinie und ein höheres Ableitvermögen. Diese Bauelemente können in Reihe und parallel geschaltet werden, um höhere Leistungen und/oder höhere Spannungen ableiten zu können. Als einziges Schutzbauelement werden TVS-Dioden uni- und bidirektional angeboten. Sie zeichnen sich besonders durch ihre sehr kurzen Ansprechzeiten im Nanosekundenbereich, eine geringe Kapazität (bis zu 0,3 pF) sowie ihre exakt definierte Durchbruchsspannung aus.

Der größte Vorteil von Suppressor-Dioden ist jedoch, dass sie nicht altern. Das Ausfallbild einer TVS-Diode ist ein Kurzschluss. Die im Markt angebotenen Schutzbauelemente auf Polymerbasis sind in der Regel für den ESD-Schutz konzipiert. Aufgrund ihres besonderen TVS-Verhaltens und ihrer sehr geringen Kapazität (<0,2 nF) sind sie eine ideale Schutzlösung für Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen. Das polykristalline Material reagiert ähnlich wie das Halbleitermaterial eines Thyristors, was sich in der Strom-Spannungs-Kennlinie bemerkbar macht. Die Trigger-Spannung kann sich im kV-Bereich befinden, während die Klemmspannung bei nur 20 V bis 50 V liegt. Diese Eigenschaft wird je nach Hersteller typischerweise für eine begrenzte Anzahl (< 100 bis < 1000 Mal) von Überspannungen gewährleistet.