Schwerpunkte

Schutz gegen multiple Überspannungen

Crowbar- Schaltung vermeidet Ausfälle

30. November 2020, 11:34 Uhr   |  Autoren: Teddy To, Walt Tian und Andy Xu; Redaktion: Ute Häußler

Crowbar- Schaltung vermeidet Ausfälle
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Gewitter oder Schäden an Stromleitungen können Hochspannungstransienten auslösen. Die Stromspitzen können in CATV-Verstärkern, Telekommunikationsgeräten im Mobilfunk oder Rechenzentren ernste Folgen nach sich ziehen. Thyristoren mit Crowbar-Schaltung bieten zuverlässigen Schutz vor Überspannung.

Elektronische Systeme sollten widerstandsfähig gegenüber transienten Netzbedingungen sein, Überspannungen dürfen ihnen nichts anhaben. Dennoch sind externe Hochspannungstransienten ein häufiger Grund für Anlagenausfälle oder Produktschäden, denn dieser Aspekt wird in der Entwicklung oft vernachlässigt. Die Überspannungen sind zwar nicht direkt beeinflussbar; doch viel zu häufig sind die internen Schaltkreise nur unzureichend dagegen geschützt. Ein robuster Überspannungsschutz der Stromversorgung ist ein wesentliches Element für eine ausfallsichere, netzbetriebene Anlagenoperation.

Gefahr durch Hochspannungstransienten

Mögliche Ursachen für Hochspannungstransienten sind (Un)-Wetterbedingungen. Blitze können hohe Spannungs- und Stromstöße auf einer Leitung induzieren. Auch Verkehrsunfälle oder Fehler bei Bauarbeiten können Schäden an Stromleitungen und somit große Transienten verursachen.

Netzintern kann das Abschalten einer Hochstromlast, etwa eines großen Motors, aufgrund der erheblichen di/dt- Stromreduzierung eine Transiente auf der Stromleitung erzeugen. Transiente Spitzen können auch aus Störstrom resultieren, der mit höheren Impedanzen als normal auf Neutralleitungen fließt oder durch einphasige Fehler in einem dreiphasigen Stromversorgungssystem entsteht. In der Folge können Hochspannungstransienten intermittierende Fehler in der Datenübertragung oder dauerhafte Systemschäden in der Anlage oder im Produkt verursachen, was meist zu einem Reparaturfall innerhalb der Garantiezeit und damit zu Aufwand und Kosten auf Herstellerseite führt. Auf Kundenseite kann die Unzufriedenheit zu schlechten Online-Referenzen sowie dem potenziellen Verlust zukünftiger Aufträge führen.

Notwendiger Überspannungsschutz

Ein geeigneter Überspannungsschutz bewahrt elektronische Systeme und Produkte vor Schäden durch Hochspannungstransienten. Komponenten wie Metalloxid-Varistoren (MOVs), TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression), Gasentladungsröhren (GDTs) sowie Schutz-Thyristoren bzw. Zweirichtungs-Dioden (Diode for Alternating Current, Diacs) können dabei helfen. Die einzelnen Optionen haben Vor- und Nachteile, welche der Konstrukteur bei der Entwicklung des optimalen Designs des Überspannungsschutzes der Stromversorgung abwägen muss.

TVS-Dioden und MOVs sind Bauteile für einfaches Klemmen, während GDTs und Schutz-Thyristoren Crowbar-Schaltungen ermöglichen. Klemmen zielt in dieser Anwendung auf das Halten der Spannung über dem Bauteil auf einem festen Niveau ab, wenn die Überspannungsschwelle des Bauteils überschritten wird. Crowbar-Schaltungen begrenzen dagegen die Spannung auf einen kleinen Wert. Ein Crowbar-System schaltet sich als Reaktion auf eine Überspannung wie ein digitaler Schalter ein.

Klemmen oder Crowbar?

Das Klemmen besitzt zwar meist schnellere Reaktionszeiten, ist aber in seiner Kapazität und damit der Bewältigung des Überstroms begrenzt. Die herrschende Klemmspannung als Funktion des ge­leiteten Stroms ist höher als die Span­nung eines Crowbar-Systems. Wenn sich also beide Bauteile im Zustand Überspannungsschutz befinden, kann das Klemmen im Vergleich einen geringeren Spitzenstrom durch Hochspannungstransienten bewältigen.

Crowbar-Komponenten können viel höhere Stoßströme verarbeiten, da deren Klemmspannung sehr niedrig bleibt, wenn das Gerät eingeschaltet wird. Der kurzschlussähnliche Zustand leitet die transiente Energie von der Schaltung des Systems ab. Die niedrige Spannung, die das Crowbar-Bauteil an den Schaltkreis des Produkts abgibt, verringert die Belastung des Produkts weiter.

MOV und TVS – Stärken und Schwächen

MOV-Klemmschutzvorrichtungen können transienten Stromspitzen von bis zu 70 kA widerstehen. Sie sind kostengünstig, haben aber den Nachteil höherer Leckströme im Aus-Zustand. TVS-Bauteile besitzen nicht die Spitzenstromkapazität von MOVs, weisen jedoch im eingeschalteten Zustand eine niedrigere Klemmspannung auf.

TVS-Komponenten haben eine längere Lebensdauer als MOVs, da letztere durch anhaltende Überspannungsbedingungen, die zu einer übermäßigen Wärmeableitung im Bauteil führen, geschädigt werden. Sowohl MOV- als auch TVS-Geräte besitzen eine höhere parasitäre Kapazität als Crowbar-Komponenten. Dies bedingt ein hohes Überschwingen, wenn sie hohen dU/dt- oder di/dt-Transienten ausgesetzt sind.

Crowbar mit GDT und Diacs

Die beiden Crowbar-Komponenten GDT und Thyristor-Schutzschaltungen (Diacs) unterscheiden sich deutlich voneinander. GDT nutzt ein Gas, das bei Erreichen einer Schwellenspannung den Strom reduziert und ableitet, der Diac dagegen ist ein Halbleiterbauelement.

Im Folgenden werden Diacs aus Silizium betrachtet, die unter dem Handels­namen SIDAC (Silicon Diode for Alternating Current) bekannt sind und hö­here Zündspannungen aufweisen. Ähnlich wie ein MOV besitzt auch die GDT-Komponente eine begrenzte Lebensdauer. Da das ionisierte Gas an den Elektroden adsorbiert wird, hängt sie davon ab, wie oft das Gas ionisiert wird und Strom leitet. Ein GDT-Bauteil kann großen Spitzenströmen standhalten, besitzt aber eine viel langsamere Reaktionszeit als ein SIDAC.

Zudem kann ein GDT-Gerät nicht verhindern, dass – abhängig von den im jeweiligen Datenblatt angegeben Werten – grenznahe Hochspannungstran­sienten zum System oder Produkt durchdringen. Von den vier unterschiedlichen Überspannungsschutzkomponenten weist der SIDAC die optimale Kombination von Eigenschaften für den Schutz von Wechselstromleitungen auf. Er bietet eine lange Lebensdauer, unabhängig von der Anzahl der Hochspannungstransienten, denen das Gerät ausgesetzt ist. Der SIDAC hat ein niedriges Spannungs­niveau im eingeschalteten Zustand und eine schnelle Einschaltcharakteristik. Er besitzt das geringste Überschwingen bei hohen dU/dt- oder di/dt-Überspannungen und einen niedrigen Leckstrom im Aus-Zustand. Tabelle 1 vergleicht die vier  Schutzvorrichtungstypen:

TypGDTSIDACMOVTVS
SchutzmodusCrowbarCrowbarKlemmschaltungKlemmschaltung
FunktionsprinzipGas-Ionisation leitfähigKontrollierbare
Silizium-Architektur
Zinkoxid-KornstrukturKlemmdioden-Struktur
Reaktionszeitmehr als 1 µsweniger als 1 nsim ns-Bereichim ns-Bereich
Max. Spitzenstrom20 kA5 kA70 kA15 kA
LebensdauerKurz (regelmäßiger
Austausch nötig)
LangKurzLang
RestspannungHochNiedrigHochNiedrig
VorteileGroßer Stromfluss, hoher Isolationswiderstand, geringer Leckstrom, niedrige parasitäre KapazitätHohe Stromstoßabsorption., exakte Leitung, schnelle Reaktion, geringer Leckstrom, hohe Zuverlässigkeit, kein VerschleißmechanismusNiedriger Preis,
großer Stromfluss,
kurze Reaktionszeit
Geringe Klemmspannung, exakte Leitung,
schnelle Reaktion,
hohe Zuverlässigkeit
NachteileLängere Reaktionszeit, hoher Restdruck,
niedrige Durchbruchspannungspräzision, schnelle Alterung
Niedriger SpitzenstromflussGrößerer Leckstrom, höhere Klemmspannung, höhere parasitäre Kapazität, schnelle AlterungHohe parasitäre
Kapazität, niedriger Spitzenstromfluss

 

So funktioniert ein SIDAC

Littelfuse Power
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Bild 1. Stromstärke-Spannungs-Diagramm eines SIDAC.

Bild 1 zeigt die Eigenschaften eines SIDAC. Unter UDRM, der maximalen Spannung im Aus-Zustand, hat der SIDAC einen niedrigen Leckstrom, IDRM. Der Leckstrom liegt in der Größenordnung von wenigen Mikroampere. Wenn die Spannung die Spitzenschwellenspannung US des Geräts erreicht, schaltet sich die Komponente ein und stellt auf eine niedrige Haltespannung UT um. Der SIDAC kann hohe transiente Ströme bewältigen, da die Spannung über dem Bauelement durch die Crowbar auf die niedrige Spannung UT reduziert wird. Ein SIDAC, der einen Spitzenstoßstrom von 5.000 A verarbeiten kann, lässt sich in einem Standard-TO-218-Gehäuse unterbringen und ermöglicht ein einfaches Leiterplattenlayout.

Bild 1 zeigt ein bidirektionales Gerät mit einem Aus-Zustand und einem Ein-Zustand. UDRM ist die maximale Spannung im Aus-Zustand. Dann ist der maximale Strom IDRM der Leckstrom im Aus-Zustand. Wenn die Spannung über dem Gerät die Durchbruchspannung US erreicht, schaltet das Gerät in den Ein-Zustand und leitet einen großen Strom IH, den Haltestrom. Der SIDAC hält den Haltestrom bei einer niedrigen Spannung UT, der Haltespannung.

Ein vollständiger Schutz elektronischer Systeme oder Produkte vor Hochspannungstransienten erfordert nur wenige Komponenten. Bild 2 stellt eine Drei-Komponenten-Lösung dar. Der SIDAC wird mit dem Stromkreis parallelgeschaltet, um die Wechselstromleitung vor Transienten zu schützen. Da der SIDAC parallel zur Leistungsschaltung liegt, beeinflusst er die Leistung der Stromversorgung nicht, wenn keine Hochspannungstransienten auftreten. Mit seinem geringen Leckstrom verbraucht der SIDAC bei Nenn-Wechselstrom/-Netzspannungen nur wenige Milliwatt Leistung.

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Bild 2. Drei-Komponenten-Netzwerk mit einem SIDAC samt Sicherung zum Schutz des SIDAC sowie einer Sicherung zum Schutz des Leistungsschaltung.

Eine dem SIDAC in Reihe vorgeschaltete Sicherung schützt das Bauelement vor einer anhaltenden Überspannung, die über einen vollständigen Wechselstrom-Leitungszyklus oder mehrere Wechselstrom-Leitungszyklen anhält. Eine weitere Sicherung bietet einen herkömmlichen Überstromschutz für den Stromkreis. Diese ist hinter dem SIDAC-Schaltkreis angeordnet, um die Sicherung vor Hochspannungstran­sienten zu schützen. Dieses Drei-Komponenten-Netzwerk bietet sowohl Überspannungs- als auch Überstromschutz.

Bild 3 stellt die schnelle Reaktion des SIDAC auf eine AC-Leitungstransiente dar. Als Referenz dient ein SIDAC-Bauteil der Littelfuse Sidactor-Reihe. Die grüne Kurve ist die Hochstromwellenform, die sich aus dem Spannungstransienten ergibt. Die blaue Linie zeigt, wie schnell der SIDAC auf den Transienten reagiert und die Spannung auf einen sicheren, niedrigen Pegel reduziert.

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Bild 3. Reaktion des SIDAC (blaue Kurve) auf einen Stromstoß (grüne Kurve), der durch rinen Hochspannungstransienten verursacht wird.

Kombination von SIDAC und MOV

Ein SIDAC lässt sich auch mit einem MOV kombinieren. Das Ergebnis ist ein Niederspannungs-Klemmschutz für Schaltungen, die durch hohe Klemmspannungen beschädigt werden können (Bild 4). Die Impedanz des MOVs senkt den maximalen Strom nach einem Tran­sienten um mindestens Faktor 5 (Bild 5).

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Bild 4. Ein Schutznetzwerk, das einen SIDAC in Reihe mit einem MOV verwendet. Die Sicherung bietet Überstromschutz.

Dadurch wird die gesamte vom SIDAC absorbierte Momentanenergie verringert und der Schutz des SIDAC gewährleistet. Ein zweiter wichtiger Vorteil der Kombination besteht darin, dass der Leckstrom niedriger ist als der vom MOV selbst gezogene Leckstrom. Bei Systemen und Produkten, die Normen für niedrigen Stromverbrauch erfüllen müssen, ist die Minimierung des Leckstroms, den das Gerät im Aus-Zustand oder im Stand-by-Zustand aufnimmt, für die Maximierung der Leistungseffizienz unerlässlich.

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Bild 5. Die Serienschaltung von SIDAC und MOV begrenzt einen Transienten mit einem 3-kA-Stoß auf nur 43,2 A (orangefarbene Kurve). Die blaue Kurve zeigt die durch die MOV-Klemme reduzierte transiente Spannung.

Eine SIDAC-MOV-Kombination kann etwa in einem Umrichter für den Überspannungsschutz von Wechselstromleitungen (Bild 6) verwendet werden. Die Kombination schützt die Umrichter-Antriebsschaltung vor differenziellen Hochspannungstransienten. Parallele MOVs schützen vor Überspannungen in der Nulleiter-Erde-Verbindung, wenn das AC-Netz eine relativ hohe Impedanz für Neutralleiter hat. Bei Umrichtern, die von dreiphasigen Wechselstrom­leitungen gespeist werden, ist für jede der drei Phasen eine SIDAC-MOV-Kombination empfehlenswert. Diese Schutzanordnung eignet sich auch für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und Hybrid-Elektrofahrzeugen sowie für photovoltaik-betriebene Wechselrichter.

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Bild 6. Ein bewährtes Schutznetzwerk für einen Leistungsumrichter-Schaltkreis umfasst einen MOV und einen SIDAC in Reihe für den Schutz von Leitung zu Leitung und ein MOV-Paar für den Schutz von Leitung und Erdung.

Einfacher und günstiger Systemschutz

Es gibt verschiedene Komponenten, die Schutz vor Hochspannungstransienten bieten. Für die Absicherung von Wechselstromleitungen stellt ein SIDAC eine der kostengünstigen Komponenten am Markt dar. Doch nicht nur der Preis, auch die Leistung zählt: Ein SIDAC bietet eine niedrige Haltespannung im eingeschalteten Zustand, eine schnelle Reaktion auf transiente Ereignisse, eine lange Lebensdauer und hohe Stoßstromfestigkeit. Kombiniert mit Sicherungen für den Überstromschutz stellt der SIDAC oder die Serienschaltung von SIDAC und MOV ein bewährtes und einfach ins Layout integrierbares Schutznetzwerk für die Stromversorgung eines Systems oder Produktes bereit. UH

Die Autoren

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Teddy To hat mehr als 20 Jahre Erfahrung im Bereich Spannungsschutz, Energiemanagement und Telekommunikation. Bei Littelfuse in Hong Kong ist er für das technische Marketing und den FAE-Support zuständig. To ist Mitautor des Buches „Fundamentals of Circuit Protection and Its Applications“. tto@littelfuse.com

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Walt Tian hat einen Bachelor-Abschluss in Elektroniktechnik der chinesischen Suzhou Universität. Er arbeitet bei Littelfuse im technischen Support und ist Experte für Schutzschaltlösungen, insbesondere für diskrete Leistungshalbleiter (Thyristor/MOSFET/IGBT) und deren Treiber. wtian@Littelfuse.com

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Andy Xu arbeitet als Senior Support-Ingenieur bei Littelfuse in Suzhou. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Elektro- und Informationstechnik der dortigen Universität. Xu ist Experte für Schutzschaltlösungen in Steuer- und Erweiterungsbausteinen, ebenso wie für diskrete Leistungshalbleiter und deren Treiber. Axu@Littelfuse.com

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