Bauelemente und Schutzschaltungen

Wenn Überspannungen auftreten, müssen die betroffenen Geräte und Leitungen in sehr kurzer Zeit mit dem Potenzialausgleich kurzgeschlossen werden. Dafür stehen verschiedene Bauelemente mit entsprechenden Eigenschaften zur Verfügung. Diese Bauelemente unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihr Ansprechverhalten und ihr Ableitvermögen.

Suppressordioden

Schaltzeichen und U/I-Kennlinien einer Suppressordiode  

Schaltzeichen und U/I-Kennlinien einer Suppressordiode

Eigenschaften:

  • Die Funktion wird allgemein als Feinschutz definiert.
  • Reagiert sehr schnell.
  • Niedrige Spannungsbegrenzung.
  • Standardausführung mit geringer Strombelastbarkeit und einer hohen Kapazität.
    • Bei einer Nennspannung von 5 V beträgt das maximale Ableitvermögen ca. 750 A.
    • Bei höheren Nennspannungen sinkt das Ableitvermögen deutlich.

Besonderheiten:

Es gibt auch Dioden mit höherer Nennspannung und größerem Ableitvermögen. Diese Ausführungen sind allerdings deutlich größer und werden daher kaum in kombinierten Schutzschaltungen verwendet.

Legende:

UR = Sperrspannung
UB = Durchbruchspannung
UC = Begrenzungsspannung
IPP = Stoßstromimpuls
IR = Sperrstrom

Varistoren

Schaltzeichen und U/I-Kennlinien von Metalloxid-Varistoren  

Schaltzeichen und U/I-Kennlinien von Metalloxid-Varistoren

Eigenschaften:

  • Die Funktion wird allgemein als Mittelschutz definiert.
  • Ansprechzeiten liegen im unteren Nanosekundenbereich.
  • Reagieren schneller als gasgefüllte Ableiter.
  • Verursachen keine Netzfolgeströme.

Besonderheiten:

Varistoren mit bis zu 2,5 kA Nennableitstoßstrom werden als mittlere Schutzstufe in der MSR-Technik eingesetzt. Im Bereich der Stromversorgung sind Varistoren mit bis zu 3 kA Nennableitstoßstrom wesentlicher Bestandteil von Schutzschaltungen in Typ 3-Ableitern für den Geräteschutz. Wesentlich leistungsstärker sind Varistoren, die in Typ 2-Ableitern zum Einsatz kommen. Die Standardausführung beherrscht in diesem Anwendungsbereich Nennableitstoßströme bis 20 kA. Für spezielle Anwendungen gibt es aber auch Typ 2-Ableiter mit bis zu 80 kA.

Legende:

A = Hochohmiger Betriebsbereich
B = Niederohmiger Betriebsbereich / Begrenzungsbereich

Gasgefüllte Überspannungsableiter

Schaltzeichen und Zündkennlinie eines gasgefüllten Überspannungsableiters  

Schaltzeichen und Zündkennlinie eines gasgefüllten Überspannungsableiters

Eigenschaften:

  • Die Funktion wird allgemein als Mittelschutz definiert.
  • Ansprechzeiten liegen im mittleren Nanosekundenbereich.
  • Standardvarianten leiten Ströme von bis zu 20 kA ab.
  • Trotz hohen Ableitvermögens hat das Bauelement sehr kleine Abmessungen.

Besonderheiten:

Bei diesem Bauelement führt ein spannungszeitabhängiges Zündverhalten zu Restspannungen, die sogar noch einige 100 V betragen können.

Legende:

1) Statisches Ansprechverhalten
2) Dynamisches Ansprechverhalten

Funkenstrecken

Schaltzeichen und Zündkennlinie einer Funkenstrecke  

Schaltzeichen und Zündkennlinie einer Funkenstrecke

Eigenschaften:

  • Kernstück eines Blitzstromableiters
  • Hohes Löschvermögen von Netzfolgeströmen
  • Relativ hohe Ansprechgeschwindigkeit
  • Zündverhalten abhängig vom Spannungsanstieg über die Zeit

Besonderheiten:

Kernstück eines leistungsfähigen Blitzstromableiters ist in den meisten Fällen eine Funkenstrecke. Bei diesem Bauelement stehen sich zwei Funkenhörner mit geringem Abstand gegenüber. Überspannungen verursachen zwischen den Funkenhörnern einen Überschlag und es entsteht ein Lichtbogen. Diese Plasmastrecke schließt die Überspannung kurz. Dabei fließen sehr hohe und steil ansteigende Ströme mit Werten bis in den dreistelligen kA-Bereich. Es gibt offene und geschlossene Funkenstrecken. Physikalisch bedingt ist das Ableit- und Löschvermögen offener Funkenstrecken größer.

Die Arc-Chopping-Technologie hat sich für Funkenstrecken als besonders leistungsstark bewährt. Hierbei liegt gegenüber den Elektroden zusätzlich eine so genannte Prallplatte. Der Lichtbogen wird zwischen den Elektroden in Richtung dieser Prallplatte gedrängt und dort zerschmettert. Es bilden sich dabei Lichtbogenfragmente, die aus dem Bereich der Funkenstrecke geblasen werden und dann leicht verlöschen. So kann die Funkenstrecke wieder hochohmig werden, wenn die Überspannung nicht mehr anliegt.

Legende:

UZ = Ansprechspannung / Zündspannung
tZ = Ansprechzeit

Kombinierte Schutzschaltungen für Signalschnittstellen

Je nach Anwendungsfall kommen unterschiedliche Bauelemente zum Einsatz. Sie können einzeln oder auch in komplexen Schutzschaltungen miteinander kombiniert werden.

Zweistufige Schutzschaltung mit ohmscher Entkopplung (links) und dreistufige Schutzschaltung mit induktiver Entkopplung (rechts)

Zweistufige Schutzschaltung mit ohmscher Entkopplung (links) und dreistufige Schutzschaltung mit induktiver Entkopplung (rechts)

Mit einer Kombination verschiedener Bauelemente lassen sich die gewünschten bauteilspezifischen Vorteile zusammenfassen. Zum Beispiel stellen Schaltungskombinationen von Gasableitern und Suppressordioden eine Standard-Schutzschaltung für empfindliche Signalschnittstellen dar. Diese Kombination bietet einen leistungsstarken und schnell ansprechenden Schutz mit bestmöglichem Schutzpegel.

Die Bauelemente sind als Schutzstufen indirekt parallel geschaltet. Das heißt, zwischen den Bauelementen sind ohmsche oder induktive Entkopplungsglieder eingeschleift. Das bewirkt ein zeitlich versetztes Ansprechen der gestaffelt angeordneten Schutzstufen.

Die Schutzschaltungen unterscheiden sich prinzipiell durch:

  • Anzahl der Schutzstufen
  • Wirkungsrichtung der Schaltung (Längs-/Querspannungsschutz)
  • Nennspannung
  • Dämpfungswirkung auf Signalfrequenzen
  • Schutzpegel (Begrenzungsspannung)

Funktion mehrstufiger Schutzschaltungen

Spannungsverteilung in einer zweistufigen Schutzschaltung  

Spannungsverteilung in einer zweistufigen Schutzschaltung

Beim Auftreten einer Überspannung spricht die Suppressordiode als schnellstes Bauelement zuerst an. Der Ableitstrom fließt durch die Suppressordiode und den vorgeschalteten Entkopplungswiderstand. Über dem Entkopplungswiderstand fällt eine Spannung ab. Sie entspricht dem Differenzwert zwischen den unterschiedlichen Ansprechspannungen von Suppressordiode und gasgefülltem Überspannungsableiter.

So wird die Ansprechspannung des Gasableiters erreicht, bevor der Stoßstrom die Suppressordiode überlastet. Das heißt, wenn der gasgefüllte Überspannungsableiter angesprochen hat, fließt der Ableitstrom fast vollständig durch den Gasableiter. Die Restspannung über dem Gasableiter beträgt maximal 20 V, sodass die Suppressordiode entlastet ist. Bei einem kleinen Ableitstrom, der die Suppressordiode nicht überlastet, spricht der gasgefüllte Überspannungsableiter nicht an.

Die abgebildete Schaltung bietet die Vorteile eines schnellen Ansprechens bei niedriger Spannungsbegrenzung und besitzt gleichzeitig ein hohes Ableitvermögen. Eine dreistufige Schutzschaltung mit induktiver Entkopplung arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Allerdings erfolgt die Kommutierung in zwei Schritten: zuerst von der Suppressordiode auf den Varistor und dann weiter auf den gasgefüllten Überspannungsableiter.

Das Prinzip der Spannungsverteilung wirkt grundsätzlich auch zwischen den verschiedenen Schutzstufen im Bereich der Stromversorgung. Dabei fällt UW über der Leitung zwischen den Ableitern Typ 1 und Typ 2 sowie zwischen Typ 2 und Typ 3 ab. Es gibt aber auch Ableiterkonzepte für die Stromversorgung, bei denen eine Koordination ohne Leitungslängen zwischen den Schutzstufen möglich ist.

Legende:

UG = Ansprechspannung gasgefüllter Überspannungsableiter
UD = Begrenzungsspannung Suppressordiode
UW = Differenzspannung über dem Entkopplungswiderstand

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