Schaltungsschutz

Neues Keramikmaterial bietet zuverlässigen Schutz gegen Überspannung

| Autor / Redakteur: Carlos Augusto Schlabitz Filho * / Thomas Kuther

Gefahr bei Gewitter: Blitzeinschläge in Stromversorgungsleitungen können zu Überspannungen führen, die elektrische und elektronische Geräte zerstören.
Gefahr bei Gewitter: Blitzeinschläge in Stromversorgungsleitungen können zu Überspannungen führen, die elektrische und elektronische Geräte zerstören. (Bild: fotolia, devmarya)

Überspannung und hohe Stoßströme können zur Schädigung von elektronischen Geräten führen. Wir verraten Ihnen, wie Sie sich mit kompakten Vielschichtvaristoren aus einem neuen Keramikmaterial wirkungsvoll dagegen schützen.

Überspannungen, die sich auf elektrische Geräte auswirken, haben verschiedenste Ursachen, unterschiedliche Energiegehalte und werden über unterschiedliche Pfade eingekoppelt. ESD-Impulse etwa, die nach IEC 61000-4-2 gemessen werden, betreffen hauptsächlich I/Os von Kommunikationsgeräten. Hierbei wird mit einer Testspannung von 8 kV (Kontaktentladung) bzw. 15 kV (Entladung über Luft) gemessen. Die zugehörigen Impulsformen zeichnen sich durch extreme Flankensteilheit mit Anstiegszeiten im Bereich von Nanosekunden aus. Der Energiegehalt dieser Impulse ist mit einigen Millijoule jedoch relativ gering.

Zum Schutz vor solchen ESD-Ereignissen bietet TDK ein breites Spektrum an miniaturisierten CeraDiode Varistoren für unterschiedliche Spannungen an. Die kleinste Bauform hat eine Grundfläche von nur noch 0,4 mm x 0,2 mm bei einer extrem geringen Höhe von 0,1 mm. Diese CeraDiode Varistoren eignen sich damit hervorragend für den Einsatz in mobilen Applikationen wie Smartphones, Tablets und Wearables.

Von Blitzeinschlägen oder Lastabwürfen verursachte Überspannungen

Eine andere Form der Überspannung wird hauptsächlich auf Stromversorgungsleitungen eingekoppelt, die durch Blitzeinschläge in der Nähe oder Lastabwürfe verursacht werden. In diesen Fällen treten Impulsströme im Kiloampere- und Mikrosekundenbereich auf. Der Energiegehalt dieser Impulse kann im schlimmsten Fall mehrere tausend Joule betragen und ist somit um Dimensionen größer als bei ESD-Ereignissen. Die Fähigkeit eines Bauelements, diese energiereichen Impulse zu verkraften, wird nach IEC 61000-4-5 mit der Impulsform 8/20 µs für den Kurzschlussstrom und 1,2/50 µs für die Leerlaufspannung gemessen (Bild 1).

Um in solchen Fällen ausreichenden Schutz bieten zu können, sind Schutzbauelemente für die zu erwartenden maximal auftretenden Ableitströme und Energien auszulegen. Daher sind entsprechende Varistoren verhältnismäßig voluminös.

Neue Keramik schafft kompaktere Bauformen

Um die Kompaktheit und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit von Vielschichtvaristoren zu verbessern, hat TDK ein neues Keramikmaterial für Schutzbauelemente der neuen High-Surge-Serie entwickelt (Bild 2). Die besseren Eigenschaften des neuen Materials beruhen auf einer höheren Dotierung des ZnO-Varistors mit einem speziellen Metalloxid, woraus eine feinere Kornstruktur resultiert. Dadurch ergeben sich deutlich mehr aktive Korngrenzen pro Volumeneinheit, in deren Folge die Stromdichte um mehr als Faktor drei im gleichen aktiven Volumen des Bauelements gesteigert werden konnte. Gleichzeitig stieg die relative Permittivität um ein Vielfaches, wodurch sich – ebenfalls im selben Volumen – eine deutlich höhere elektrische Feldstärke EV realisieren lässt (Bild 3).

Ergänzendes zum Thema
 
Historische Sensor-Ausstellung in der Fachmesse SENSOR+TEST
 
k0__kasten_titel hier steht Blindtext

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