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Gut ausgerüstete Schutztruppe: Überspannungs- und Überstrom-Schutzkomponenten

Überspannungen und Stromspitzen gilt es in vielen Bereichen der Elektronik zu vermeiden; eine Vielzahl von Gesetzen und Verordnungen in den verschiedenen Zielländern schreibt die Produktsicherheit explizit vor. Die passenden Überspannungs-Schutzkomponenten können auch die Ausfallrate sowie die Wartungs- und Reparaturkosten senken.

Statische Entladungen und Überspannungen (Transienten) können Schaltungen zerstören. Wenn ein Spannungsstoß an einer Schaltung anliegt, dessen Höhe die zulässige Betriebsspannung eines IC übersteigt, kann er den IC nachhaltig schädigen.

Um diese schädlichen Transienten zu klemmen, also auf Massepotenzial abzuleiten und damit den IC zu schützen, gibt es verschiedene Komponenten für den Überspannungsschutz, wie z.B. MOVs (Metalloxid-Varistor) und TVS-Dioden (Transient-Voltage-Suppressor), GDTs (Gas-Discharge-Tube) oder ESDs (Electrostatic-Discharge-Diode).

Eine schematische Übersicht über die diversen Schutzeinrichtungen und -ebenen für Elektronikschaltungen gibt Bild 1. Das hier gebotene Prinzip ist der Einsatz von mehreren Schutzelementen zur Ableitung von transienten Überspannungen und -strömen. Als primärer Überspannungsschutz dienen Bauelemente wie MOV, GDT, SPG (Spark-Gap-Protector) und TSS (Thyristor-Surge-Suppressors). TVS und ESD-Komponenten absolvieren die sekundäre Schutzwirkung. PPTCs (Polymeric Positive-Temperature-Coefficient-Thermistor) fungieren als Überstromschutz und zur Entkopplung, NTCs (Negative-Temperature-Coefficient-Thermistor) werden zur Unterdrückung von Überströmen eingesetzt.

Varistoren punkten mit kurzer Ansprechzeit

Varistoren kommen aufgrund ihrer sehr kurzen Ansprechzeit zum Klemmen der transienten Überspannung von weniger als 20 ns in vielen Applikationen zum Einsatz. Die bekanntesten sind Metalloxid-Varistoren (MOV). Denn sie haben die Fähigkeit, Überspannungen zu absorbieren - und zwar deutlich höhere als TVS-Dioden.

MOVs werden hauptsächlich aus Zinkoxid hergestellt. Sie bieten einen weiten Spannungsbereich von 18 bis 1800 V, und zwar für Stoßströme bis zu 70 kA, teilweise sogar noch mehr. Die MOVs von Yageo sind mit Sicherheitszertifizierung nach UL/TÜV/VDE(CSA/CQC) und Betriebstemperaturen von -40 bis +105 °C bzw. -40 bis +125 °C lieferbar. Ihre Ipp-Werte reichen von einigen hundert Ampere bis zu mehreren Dutzend Kiloampere, sie haben Impulsformen von 8/20 µs. Dabei gilt der VBR-Wert bidirektional und symmetrisch. Deshalb werden diese MOVs gern in AC-Stromversorgungen, Signalleitungen sowie Leistungsschutzschaltern (Circuit-Breaker), LED-Treibern oder Smart-Metering-Systemen eingesetzt. Scheibendurchmesser von 5 bis 53 mm ermöglichen die einfache Auswahl der richtigen Komponente für jede dieser Anwendungen. Als spezielle Lösung bietet Yageo auch TMOV-Varistoren. Durch die Kombination eines Metalloxid-Varistors und eines NTC können sie sowohl Ströme als auch Überspannungen wirksam begrenzen.

Nachteil der MOVs: Im Gegensatz zu TVS-Dioden können sie altern. Das heißt, sie haben nur eine begrenzte Lebensdauer, abhängig von den Transienten, die sie absorbieren. Um diesen Effekt zu mildern, werden sie typischerweise in Serie mit GDTs oder SPGs eingesetzt.

TVS-Dioden sperren schnell uni- oder bidirektional

TVS-Dioden, auch als Suppressor-Diode, TVP (Transient-Voltage-Protector), ABD (Avalanche-Breakdown-Diode) oder BOD (Break-Over-Diode) bezeichnet, können Überspannungsspitzen innerhalb eines sicheren Bereichs von Pikosekunden klemmen und auf einen sicheren Wert begrenzen, um den Schaltkreis vor Beschädigungen zu schützen. Sie sind die Bauteile mit dem besten Klemmverhalten unter den Schutzdioden und werden parallel zur Last geschaltet, die geschützt werden soll (Bild 3).

Die Vorteile von TVS-Dioden liegen vor allem in der kurzen Ansprechzeit und der niedrigen Kapazität sowie darin, dass sie in uni- und bidirektionaler Richtung sperren können. Damit eignen sie sich ideal für DC-Stromversorgungen, Sicherheits- und Überwachungssysteme, sowie im Telecom- und im Automotive-Bereich.

Die TVS-Dioden von Yageo kommen mit Sicherheitszertifizierung von UL. Sie sind auch mit Automotive-Grade-Qualifizierung (AEC-Q101) verfügbar und zeichnen sich durch niedrigen dynamischen Innenwiderstand und schnelles Ansprechverhalten aus. Sie sind für ein Pppm von 200 bis 30.000 W für 10/1000-µs-Impulsformen und Ipp-Werte von 6/10/1620 kA bei 8/20-µs-Impulsen lieferbar. Vrem ist mit 3,3 bis 600 V (oder höher) spezifiziert. Als Gehäuseformen stehen SMAJ, SMBJ, SMCJ, DO-41, DO-15, DO-201 und weitere zur Verfügung.

Einen Vergleich der Schutzeigenschaften von MOVs und TVS-Komponenten zeigt Bild 4.

Wachstumsmarkt Elektromobilität

Obwohl die TVS-Dioden relativ neu im Yageo-Portfolio sind, verfügt der Hersteller über eine dedizierte Roadmap für TVS-Produkte mit Fokus auf Automotive, High Power und High Surge. Mit einem weiteren Ausbau der Roadmap und neuen Gehäusebauformen für zukünftige Applikationen verfolgt Yageo das erklärte Ziel, im Segment der Schutzkomponenten weitere Marktanteile zu gewinnen, allen voran im Wachstumsmarkt Elektromobilität. Aufgrund der verschärften CO2-Grenzwerte ab 2020 stehen Hersteller unter dem Druck, die CO2-Emissionen ihrer Fahrzeugflotte deutlich zu reduzieren. So hat die Entwicklung von Elektrofahrzeugen spürbar an Fahrt aufgenommen und wird sich weiter beschleunigen. Der Schutz vor Überspannungen ist sowohl für Elektrofahrzeuge selbst als auch im Bereich der Lade-Infrastruktur essenziell. Hier sind TVS-Dioden aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften als Schaltungsschutzkomponente besonders geeignet.

Weitere Schutzkomponenten

TVS-Arrays werden angeboten als ESD-Schutz (Electric-Discharge-Protection-Device) mit Arbeitsspannungen entsprechend den geltenden Werten der IC-Versorgungsspannung (2,8 bis 36 V). Sie kommen mit niedriger Kapazität (unter 1 pF) für High-Speed-Datenschnittstellen wie HDMI und USB 3.0 in unterschiedlichen kompakten Gehäuseformen.

SPGs (Spark-Gap-Protector) sind mit UL-Zertifizierung für Ipp-Werte zwischen 300 und 3000 A für 8/29-µs-Impulse sowie eine DC-Spark-over- (Überschlag-) Spannung von 140 bis zu 5000 V erhältlich. Sie bieten einen Isolationswiderstand von >100 MΩ bei geringem Alterungseffekt und sind nicht polarisiert.

GDTs (Gas-Discharge-Tube), ebenfalls mit UL/VDE-Zertifizierung, sind für Ipp-Werte zwischen 500 und 100 kA verfügbar (8/20-µs-Impuls) und DC-Spark-over zwischen 75 und 6000 V (Impuls-Spark-over bis zu 7800 V). Diese GTDs bieten Isolationswiderstände um 1 GΩ. Typische Anwendungen sind in Koaxialkabeln und Ethernet-Verbindungen.

TSS-Komponenten (Thyristor-Surge-Suppressors) für Telecom- und Überwachungssysteme, Smart Meter etc. bieten einen Ipp von einigen hundert Ampere (8/20-µs-Impuls) und einen geringen Leckstrom zwischen 1 und 5 µA bei präziser Spark-over-Spannung (VDRM: 6 bis 620 V).

PPTCs (Polymeric Positive-Temperature-Coefficient-Thermistor) eignen sich für dieselben Applikationen wie TSS. Im normalen Betriebsstatus haben sie einen sehr niedrigen Widerstand, ohne Effekt auf die zu schützende Schaltung. Sie werden somit in Serie zu dieser betrieben. Die Ansprechgeschwindigkeit ist mit einigen Millisekunden bis Sekunden recht niedrig, und zwar proportional zum Stromwert. Ihold liegt zwischen 30 mA und 14 A, Vmax kann 5 bis 600 V betragen.

NTCs (Negative-Temperature-Coefficient-Thermistor) sind mit ihrem ausgezeichneten, langzeit-stabilen thermischen Zyklusverhalten ideal für Stromversorgungen (UPS) und Power-Adapter. Sie werden mit Durchmessern zwischen 5 und 25 mm (5D bis 25D) geliefert.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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