Metalloxid-Varistoren und Gasentladungsröhren Komponenten für sicheren Stromkreisschutz

Anbieter zum Thema

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Die jüngsten technologischen Fortschritte bei Metalloxid-Varistoren (MOV) und Gasentladungsröhren (GDT) haben dazu geführt, dass eine besonders breite Palette von Überspannungsschutzprodukten auf Keramikbasis zur Verfügung steht.

Entwicklungsingenieure müssen nicht nur sicherstellen, dass die Funktionalität ihrer Entwürfe den Zielvorgaben der Produktspezifikation entspricht, sie müssen auch mit Budget- und Größenbeschränkungen zurechtkommen, was die Fertigstellung einer erfolgreichen Entwicklung zusätzlich erschwert.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Erfüllung von Zuverlässigkeitsanforderungen, z. B. der Schutz von Schaltkreisen, eine der letzten Überlegungen ist, die bis zum Ende des Entwicklungsprozesses aufgeschoben wird. Um den Zeitplan einhalten zu können, setzen viele Entwicklungsingenieure einfach Schutzlösungen aus früheren Entwürfen ein. Angesichts fortschreitender Entwicklungen neuer elektronischer Komponenten kann es sein, dass dieser Ansatz die Qualifikationstests nicht besteht. Je weiter die Anwendungen fortschreiten, werden sie immer kleiner, schneller und mit höheren Anforderungen an Dichte und desto anfälliger werden sie für Beschädigungen während der Qualifizierungstests für elektrische Überspannungen. Der zusätzliche Druck, das Budget einzuhalten, zwingt die Konstrukteure oft dazu, die Spannungswerte der Komponenten mit einem Minimum an Spielraum festzulegen.

Bildergalerie

Fehler bei Überspannungsschutzgeräten oder den nachgeschalteten Komponenten, die sie schützen sollen, können bei Konformitätstests oder, schlimmer noch, im Feld auftauchen, was zu Problemen mit den Garantiekosten führen und möglicherweise den Ruf des Lieferanten schädigen kann. Glücklicherweise haben die jüngsten technologischen Fortschritte bei Metalloxid-Varistoren und Gasentladungsröhren dazu geführt, dass eine breitere Palette von Überspannungsschutzprodukten auf Keramikbasis zur Verfügung steht.

Diese neuen Lösungen garantieren ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten, Größe, Fähigkeit und Leistung. Einige der jüngsten Entwicklungen befassen sich mit den Alterungsmechanismen in Standard-MOV-Bauteilen, um sicherzustellen, dass das Stromkreisschutzelement selbst nicht zu einem Zuverlässigkeitsproblem wird.

Dieser Beitrag beschreibt die verschiedenen auf dem Markt erhältlichen MOV- und GDT-Bauteile. Er befasst sich mit der Konstruktion, der Überspannungsschutzdichte, dem Leckstrom, der Kapazität, den Alterungsmechanismen und den Ausfallarten. Auch wenn kein Konstrukteur das Budget für den Stromkreisschutz erhöhen möchte, kann ein besseres Verständnis der Vorteile, die eine verbesserte Überspannungsschutzleistung und die Platzeinsparungen, die diese neuen Lösungen mit sich bringen, die Wahl eines hochwertigeren Stromkreisschutzprodukts für eine bestimmte Konstruktion rechtfertigen.

Traditionelle MOV-Technologie

Radial bedrahtete Standard-MOVs bestehen in der Regel aus einer dotierten Zinkoxidscheibe, die auf beiden Seiten metallisiert ist, und aus Anschlüssen, die mit einer Epoxidbeschichtung über dem Scheibenteil angebracht sind. Weltweit werden jedes Jahr Milliarden solcher MOVs verkauft, sodass sie sich in vielen Konstruktionen eindeutig als praktikable Lösung erwiesen haben. Der Nachteil ist, dass herkömmliche MOVs bekanntermaßen aufgrund von Faktoren wie wiederholten Überspannungsereignissen, ständiger Einwirkung der Wechselstromleitung sowie Hitze und Feuchtigkeit altern. Es ist bekannt, dass diese MOVs im Laufe der Zeit einen Leckstrom entwickeln, der das MOV-Bauteil erwärmt und den Alterungsprozess beschleunigt. Dieses Problem kann sich zu einem thermischen Durchgehen entwickeln, bei dem das MOV-Bauteil schließlich in Brand geraten könnte.

Um solche Ausfallarten zu vermeiden, haben Konstrukteure gelernt, MOVs mit Spannungswerten zu spezifizieren, die weit über der vorgesehenen Betriebsspannung liegen, oder MOVs mit höheren Stoßspannungswerten zu verwenden. Die Dicke einer MOV-Scheibe ist in der Regel proportional zur Durchbruchspannung und die Fläche einer MOV-Scheibe ist in der Regel proportional zur Überspannungsfestigkeit. Der Nachteil ist, dass diese überbewerteten MOVs dann größer und teurer sind und in der Regel nur in Geräten eingesetzt werden, die eine längere Lebensdauer erfordern. Ein weiterer großer Nachteil besteht darin, dass MOVs mit höheren Spannungswerten auch höhere Spitzenspannungen an die nachgeschalteten Schaltkreise weiterleiten, sodass diese Komponenten wiederum höhere Spannungswerte aufweisen müssen. Dadurch wird das Budget noch mehr belastet.

Trotz dieser Nachteile sind MOV-Bauteile nach wie vor die erste Wahl für Unterhaltungselektronik und Anwendungen, bei denen die Kosten im Vordergrund stehen, vor allem wegen ihrer relativ kurzen Lebenserwartung und der allgemein hohen Marktgängigkeit.

Thermischer Überlastschutz

Einige Gerätetypen werden behördlichen Prüfungen (z. B. UL 1449) unterzogen, bei denen MOVs einem thermischen Durchgehen ausgesetzt werden, wobei kein Feuer ausgelöst werden darf. Hier kommen thermisch gesicherte MOV-Vorrichtungen (TFMOV) zum Einsatz. TFMOV-Vorrichtungen sind mit einer Serien-Thermosicherung ausgestattet, die den MOV von der Leitung trennt, wenn die Temperatur über einen bestimmten Wert ansteigt. Einige der Normen für diese Art von Tests verwenden jedoch strombegrenzte Stromversorgungen, die möglicherweise nicht die realen Bedingungen simulieren. Bei voller Wechselstromversorgung können thermische Sicherungen den Stromkreis erfolgreich öffnen oder auch nicht.

Ein thermisch geschützter MOV (TPMOV) stellt ein anspruchsvolleres Design dar und bietet bekanntermaßen einen höheren thermischen Schutz als TFMOVs. Dies ist auf ihre Konstruktion zurückzuführen, die über einen internen Bewegungsmechanismus verfügt, der eine viel positivere Wirkung hat und eine vollständige Trennung des MOVs von der Stromleitung sicherstellt. Bild 1 verdeutlicht die Unterschiede zwischen radialen Standard-MOVs, TFMOVs und TPMOVs.

Sowohl TFMOV- als auch TPMOV-Vorrichtungen können mit einer Anzeigefunktion ausgestattet sein, die einem Meldeschaltkreis ermöglicht, das System darauf aufmerksam zu machen, dass der MOV jetzt offline ist und die nachgeschalteten Schaltkreise nicht mehr schützt. Wichtig ist, dass diese Vorrichtungen den Ausfall eines MOVs nicht verhindern – sie schalten lediglich den ausgefallenen MOV ab und melden dem System, dass der Schutz auf der Leitung nicht mehr vorhanden ist. Bis das ausgefallene Bauteil ersetzt wird, ist das System anfällig für weitere Überspannungsereignisse. Bild 1 zeigt einen Vergleich zwischen radialen Standard-MOV- und TFMOV- und TPMOV-Vorrichtungen.

GDT-Erweiterungsvorrichtungen in Serie

Aufgrund der zusätzlichen Vorteile des Stromkreisschutzes schalten erfahrene Konstrukteure oft eine Gasentladungsröhre in Reihe mit dem MOV. Die GDT fungiert als spannungsgesteuerter Schalter, der den MOV von der Wechselstromleitung trennt, bis ein signifikantes Überspannungsereignis auftritt. Die GDT kann sich in weniger als einer Mikrosekunde einschalten, und der MOV absorbiert die überschüssige Energie der Überspannung. Sobald das Ereignis vorüber ist, entzieht der MOV der GDT den Strom und versetzt sie wieder in ihren Aus-Zustand.

Diese Anordnung kann die Lebenserwartung von MOVs erheblich verlängern, da sie nicht der konstanten Spannungsbelastung und unbedeutenden Schalttransienten ausgesetzt sind, die die Hauptfaktoren für die Alterung von MOVs darstellen. Konstrukteure können diskrete MOV- und GDT-Bauteile wählen oder sich für eine integrierte Lösung wie das in Bild 2 gezeigte Bourns-GMOV-Schutzbauteil entscheiden.

Bei allen Serien-GDT-Lösungen ist zu beachten, dass sie eine kurze Spannungsspitze aufweisen, die zu den nachgeschalteten Schaltungen durchgelassen wird, während sich die GDT einschaltet. Die „Frontschutz-Spannungsimpuls“ (V_fp) einer GMOV-Vorrichtung ist in Bild 3 dargestellt. Dieser Impuls dauert nur ca. 300 ns und enthält daher nur sehr wenig Energie. Häufig sind die ersten nachgeschalteten Komponenten Gleichrichter und Filterkondensatoren, sodass sie in solchen Schaltungen in der Regel keine Probleme haben, den Impuls zu absorbieren.

Neben der Verhinderung des Leckstroms und des thermischen Durchgehens des MOVs wird durch das Hinzufügen von Serien-GDTs auch die Toleranz gegenüber vorübergehenden Überspannungsereignissen (TOV) erhöht. Sie sind auch eine gute Wahl für Anwendungen mit langer Lebensdauer, bei denen Feldausfälle unter normalen Betriebsbedingungen inakzeptabel sind.

MOV-Technologie mit verbesserter Geometrie

MOV-Vorrichtungen können auch katastrophal ausfallen, wenn sie wiederholt Überspannungen ausgesetzt sind, die ihre Nennwerte überschreiten. Wie bereits erwähnt, entscheiden sich Konstrukteure zur Wahl von teureren, größeren und für höhere Überspannungen ausgelegten MOV-Bauteilen, um diese Ausfälle zu vermeiden. Bei den von Bourns durchgeführten Tests führten alle Ausfälle zu einer verbrannten Stelle am Rand des MOVs. Die Ergebnisse der Computermodellierung des MOV-Einsatzes zeigten, dass sich am Rand der Vorrichtung ein elektrisches Feld aufbaut. Sobald der Stromstoß einsetzt, konzentriert sich der Strom an diesem Punkt, bis es zum Ausfall kommt.

Diese Fehlerart kann durch die Entwicklung eines dickeren Randes an der MOV-Scheibe abgemildert werden. Diese dickere Kante hat eine höhere Durchbruchsspannung, und der Durchbruchspunkt wird in das Innere des MOV gezwungen, was die Stromaufteilung verbessert. Zur Perfektionierung der Überspannungsschutztechnologie hat Bourns die EdgMOV-Technologie entwickelt, die in der in Bild 4 gezeigten Computermodellierung dargestellt ist. Daraus geht hervor, dass die maximale Temperatur einer EdgMOV-Scheibe nur halb so stark ansteigt wie die einer herkömmlichen MOV-Scheibe, was bedeutet, dass die EdgMOV-Scheibe etwa doppelt so viel Stoßstrom wie eine herkömmliche MOV-Scheibe mit der gleichen Nennspannung und dem gleichen Durchmesser bewältigen kann. Die EdgMOV-Technologie kann bei kostenbewussten Entwicklungen, bei denen die Leiterplattendichte eine wichtige Rolle spielt, von großem Nutzen sein.

Kombinierte GDT- und EdgMOV-Hybridschutzvorrichtungen

Bourns hat neue Schutzvorrichtungen vorgestellt, die die integrierte GDT-Funktion mit seiner EdgMOV-Technologie kombinieren. Bourns-IsoMOV-Hybridschutzvorrichtungen bieten ein effizientes Design, das den Konstrukteuren ermöglicht, auf größere, leistungsschwächere und oft teurere Überspannungsschutzalternativen zu verzichten. IsoMOV-Vorrichtungen bestehen aus zwei EdgMOV-Vorrichtungen, die durch ein Isolierglas miteinander versiegelt sind, um eine GDT-Kammer zwischen ihnen zu bilden.

Jede EdgMOV-Scheibe liefert die Hälfte der gewünschten Nennspannung und sorgt dafür, dass der in eine Leitung fließende Strom zunächst durch eine EdgMOV-Scheibe fließen muss. Der Strom fließt dann durch die GDT, die in der Mitte der beiden EdgMOV-Scheiben gebildet wird, und durch die zweite EdgMOV-Scheibe wieder heraus. Auf diese Weise verfügt das IsoMOV-Bauteil über die Funktionalität sowohl der diskreten MOV- als auch der GDT-Serienkombination in einem Gehäuse, das kaum dicker ist als eine einfache MOV-Vorrichtung mit der gleichen Nennspannung. Die IsoMOV-Scheibenfläche ist etwa halb so groß wie die vergleichbarer überspannungsgeschützter MOV-Vorrichtungen.

Die optimale Überspannungsschutzlösung finden

Während einige Gerätekonstruktionen immer die kostengünstigste Lösung verlangen, ohne dabei die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Betriebszeit zu maximieren, müssen andere Gerätekonstruktionen so zuverlässig sein, wie es technisch machbar ist. Für nahezu jede Anwendung gibt es optimale Schutzlösungen auf MOV-Basis. Mit den vielen verfügbaren Überspannungsschutzvorrichtungen können Konstrukteure die beste Lösung auswählen, die ihre Anwendungsspezifikationen, Betriebsanforderungen und Budgetziele erfüllt.

* Lee Bourns ist Marketingdirektor der Stromkreisschutzabteilung bei Bourns.

(ID:48710842)