Schaltungsschutz

Neues Keramikmaterial bietet zuverlässigen Schutz gegen Überspannung

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Durch die verbesserten elektrischen Eigenschaften kann jetzt bei einer bestimmten Spannungsklasse des Varistors die Zahl der inneren Elektroden erhöht werden, wodurch die Stoßstrombelastbarkeit des Bauelements bei gleicher Baugröße deutlich steigt bzw. sich die geforderte Performance in erheblich kleineren Baugrößen realisieren lässt. Das heißt konkret: Während Standard-Varistoren mit einer Stoßstrombelastbarkeit von 1200 A (8/20 µs) in der Bauform EIA 2220 gefertigt werden, ist es TDK mit der neuen Keramik nun gelungen, dieselbe Performance bei der High-Surge-Serie in der Bauform EIA 1210 zu realisieren. Das entspricht einer Volumenreduzierung um mehr als Faktor drei.

Damit eignen sich die neuen Varistoren für den Einsatz unter anderem in den Anwendungswelten Internet-of-Things und Industry 4.0, wo die Miniaturisierung ebenfalls eine immer wichtigere Rolle spielt.

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Kleinere Klemmspannung und höhere Leistung

Dank der höheren zulässigen Feldstärke des neuen Keramikmaterials sowie der gestiegenen Zahl der inneren Elektroden konnte auch die Klemmspannung der Bauelemente herabgesetzt werden.

Die Klemmspannung tritt bei einem ESD-Ereignis zusammen mit einem bestimmten Stoßstrom am Bauelement auf. Je höher die am Varistor auftretende Klemmspannung bei gleichem Strom, umso größer ist auch die elektrische Leistung und damit letztendlich die Energie, die der Varistor aufnehmen muss. Das heißt im Umkehrschluss: Bei kleineren Klemmspannungen wird eine höhere Strombelastbarkeit erreicht, um dieselbe Energieaufnahme zu erzielen.

So ist zum Beispiel der bestehende EPCOS Vielschichtvaristoren-Typ CN2220K50E2GK2 bei einer Klemmspannung von 135 V mit 10 A spezifiziert. Dagegen erreicht der neue High-Surge-Low-Clamp-Typ CT2220S50E3G mit dem verbesserten Keramikmaterial bei derselben Klemmspannung eine Stoßstrombelastbarkeit von 400 A (Bild 4). Dieser neue Varistor bietet damit einen deutlich besseren Schutzgrad.

Weniger Schutzbauelemente, mehr Sicherheit

Um mit SMT-Vielschichtvaristoren eine möglichst hohe Stoßstrombelastbarkeit zu erreichen, werden in der Regel mehrere Bauelemente parallel geschaltet. Da Varistoren jedoch Spannungstoleranzen von bis zu ±20% aufweisen, ist für solche Anwendungen die Verwendung exakt aufeinander abgestimmter Bauelemente erforderlich. Diese Vorgabe wiederum stellt aber einen erheblichen Kostenfaktor dar. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass trotz enger Tolerierung die einzelnen Bauelemente in ihrer elektrischen Charakteristik leicht voneinander abweichen. In Folge werden bei einem ESD-Ereignis Bauelemente mit unterschiedlichen Strömen beaufschlagt, wodurch nicht selten der am stärksten belastete Varistors ausfällt.

Die neue Keramik der TDK Corporation jedoch hat das Sicherheitsrisiko deutlich verringert. Mit Hilfe des neuen Werkstoffs können jetzt Varistoren gefertigt werden, die in nur einem Bauelement die entsprechende hohe Stoßstrombelastbarkeit und damit Schutzwirkung bieten. Doch nicht genug der Verbesserungen: Denn gleichzeitig lässt sich die Anzahl der benötigten Schutzbauelemente drastisch reduzieren – und damit auch Leiterplattenfläche und Kosten im Materialeinsatz sowie in der Montage.

Daten der EPCOS MLV-High-Surge-Serie:

  • Bauform [EIA]: 1210 bis 2220,
  • Max. Arbeitsspannung: bis zu 65 VDC,
  • Varistorspannung bei 1 mA: bis zu 85 VDC,
  • Stoßstrom-Belastbarkeit (8/20 µs): bis zu 1 x 5000 A und 10 x 3500 A,
  • Klemmspannung bei 200 A: max. 135 V (mit neuer Keramik),
  • Max. Energieabsorption (2 ms): bis zu 15.000 mJ,
  • Max. Betriebstemperatur: 125 °C.

* Carlos Augusto Schlabitz Filho ist Product Marketing Manager Multilayer, Piezo and Protection Devices bei der TDK Corporation.

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