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Schaltungsschutz Neues Keramikmaterial bietet zuverlässigen Schutz gegen Überspannung

Carlos Augusto Schlabitz Filho *

Anbieter zum Thema

TDK Electronics AG
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
Treston Deutschland GmbH
TRACO ELECTRONIC GMBH

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.

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

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.

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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.

Historische Sensor-Ausstellung in der Fachmesse SENSOR+TEST

Gesponsert von einem Industriebetrieb und unterstützt vom Management des Messeveranstalters befand sich im Ausstellungsbereich der Messtechnikfachmesse „Sensor & Test 2016“ in Nürnberg ein Messestand, der keine Waren anbot oder für deren Verkauf warb. Die mehr zufällig von den ausgestellten Exponaten angezogenen Besucher fragen, wofür denn geworben würde, denn Marketing und Werbung für den Verkauf sei ja schließlich der Sinn eines Messestands. Als Antwort wird Information geboten, Information über die Technikgeschichte, die historische Entwicklung eines Sensors. Man braucht ein wenig Zeit, um die angebotenen Informationen aufzunehmen und zu entdecken, dass der Entstehung vieler der heutigen Selbstverständlichkeiten intensive Bemühungen in weit zurückliegender Zeit zugrunde liegen. Als herausragen-des Beispiel sei das damals unbekannte Phänomen Elektrizität genannt, dem durch die Definition von Spannung, Stromstärke und Widerstand vor 190 Jahren (1826) von Georg Simon Ohm eine ordnende Gestalt gegeben wurde.

Die Betrachtung historischer Entwicklungen führt zur Erkenntnis, dass schon in der Vergangenheit Naturwissenschaftler großartige Ideen hatten und diese, trotz oft sachlich unbegründeter Widerstände, mit Beharrlichkeit umgesetzt haben. Das kann Vorbild für heutige Überlegungen sein. Eventuelle Misserfolge durch Fehler zeigen, wie man es nicht machen sollte und welche beschrittenen Wege nicht zum angestrebten Ziel führen.

Heute erfolgreiche Industriebetriebe machen sicherlich keinen Fehler, wenn sie sich mit der eigenen Geschichte und der der Entwicklung ihrer Produkte befassen. Entwicklung kann in der Darstellung ihrer Kontinuität Kompetenz vermitteln sowie Vertrauen und Zuverlässigkeit, die auf in der Vergangenheit gesammelter Erfahrung beruhen. Somit kann man die Bewahrung und Darstellung technisch historischer Ereignisse durchaus als kulturelle Aufgabe betrachten, die trotz oft erwähnenswerten Aufwands nicht vernachlässigt werden sollte. Man sollte also Unternehmen, die ohne den Gedanken, aus der Investition in einen kulturellen Beitrag einen Ertrag zu ziehen, mit Anerkennung und Respekt begegnen. (Prof. Dr.-Ing. Stefan Keil)

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).

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