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11-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Bauelemente Bild

Bauelemente Bild 11: Mechanismus der induzierten Blitzüberspannung trauschen, aber der Leckstrom steigt. Es ist eine Art Kompromiss, bei dem die Kapazität größer als die Dämpfung oder die Kapazität kleiner als der Blindstrom/Ableitstrom wird. Siehe Bild 3 für die Änderung der Dämpfungscharakteristik des Gleichtaktrauschens in Abhängigkeit von der Änderung der C y -Kapazität. Die Eigenschaften von elektromagnetischen Materialien ändern die Eigenschaften der Spulen. Es gibt einige Arten von elektromagnetischen Materialien für EMI-Filter wie MnZn-Ferrit, nanokristalline amorphe oder eisenbasierte amorphe Materialien. Siehe Tabelle 1 für die jeweiligen Eigenschaften. In den Bildern 4 und 5 werden die unterschiedlichen Eigenschaften der Induktivität und Impedanz über die Frequenz dargestellt. Bild 6 betrifft die Gleichtakt- Rauschunterdrückung von EMI- Filtern mit verschiedenen elektromagnetischen Materialien aus Tabelle 1. Wie man in den einzelnen Diagrammen sehen kann, kann man bei nanokristallinem amorphem Material eine bessere Leistung als bei den anderen Materialien bei geringerem Bandrauschen erwarten. Die Rauschdämpfung von amorphen Materialien auf Eisenbasis ist etwas schlechter als die von Ferriten bei mittlerem und niedrigem Frequenzband, da die Anfangspermeabilität gering ist. Siehe Bild 7 für die Impulsdämpfungscharakteristik der Spule. Wenn die Impulseingangsspannung mehr Bild 12: Einsatz und Funktion eines SPDs als 400...600 V beträgt, steigt die Ausgangsspannung bei Spulen mit Ferrit- und aus nanokristallinem amorphem Material schnell an, aber eisenbasiertes amorphes Material beginnt erst bei 1700 V, sich zu zu sättigen. Wegen der Sättigung ist die magnetische Flussdichte größer als 1 T und die Anfangspermeabilität gering. Daher kann der größere Effekt bei auf eisenbasierten amorphen Kernen für Pulsrauschen erwartet werden. Bild 8 zeigt die Impulsdämpfungseigenschaften von EMI- Filtern für die jeweils drei genannten Materialien. Filter mit eisenbasierten amorphen Kernen sättigen noch nicht einmal bei 2500 V, wobei die anderen bereits bei 800...1000 V gesättigt sind, sodass ein deutlich größerer Effekt gegen großes Impulsrauschen erwartet werden kann. Als Beispiel einphasige EMI- Filter mit amorphem Kern auf Eisenbasis von Hersteller Okaya siehe Bild 9 und 10. Lösung für induzierte Blitzüberspannung mit SPD Parameter Eisen nanokristallin amorph Geräte werden immer schneller und multifunktionaler und die elektrischen Komponenten durch geringere Treiberspannungen und hohe Integrationsdichte immer anfälliger für Überspannungen. Das Risiko, dass die Geräte durch Blitzüberspannungen beschädigt werden wird immer größer und durch immer dichtere Vernetzung werden die Invasionswege des Blitzes immer komplizierter. EMI-Filter allein können dieses Problem nicht lösen, deshalb ist die Verwendung von zusätzlichen Überspannungsschutzgeräten (SPDs) für die Netzleitung, den EMI-Filtern vorgelagert, ein effektiver Weg. Nachfolgend werden Lösungen mit SPD gegen Blitzüberspannungen vorstellt. Induzierte Blitzüberspannung (Induced Lightning Surge) Das elektromagnetische Feld ändert sich plötzlich, wenn sich aus Gewitterwolken ein Blitz Richtung Erde entlädt. Dieser induzierte Strom in Leitungen/ Überlandleitungen fließt dann eisenbasiert amorph Sättigung magnetische Flussdichte ca. 0,4 T ca. 1,2 T mehr als 1 T Anfangspermeabilität ca. 7000 ca. 60.000 ca. 4400 Curie-Temperatur ca. 140 °C mehr als 500 °C mehr als 500 °C Tabelle 1: Magnetische Materialkennlinie für Gleichtaktspulen 26 hf-praxis 11/2020

Bauelemente Bild 13: Schaltung für Überspannungsschutz von Industriemaschinen in elektrische Geräte in Haushalten, s. Bild 11. Aufgabe von Überspannungsschutzgeräten Das SPD ist ein Gerät, das verhindert, dass plötzlich auftretende Überspannungen/Überströme wie durch Blitzstoß oder Blitzeinschlag in elektrische Geräte eindringen. Es wird mit der Stromleitung oder zwischen Kommunikationsleitung und Erdung verbunden. Es ist isoliert von der Schaltung, doch sobald der Blitzstoß eintritt, reagiert das SPD, entlädt den Strom zur Erdung und hält eine bestimmte Spannung aufrecht. Nach verrichteter Arbeit kehrt es automatisch wieder in den normalen Modus zurück und es gibt keinen Einfluss auf die Schaltung, s. Bild 12. Lösungen mit dem SPD für die Stromleitung - Industrielle Maschinen Verwendung finden SPD etwa in der Eingangsstromleitung für Industriemaschinen wie Werkzeugmaschinen, Lasern, Robotern, Halbleiterfertigungsanlagen, Montagegeräten oder Servoverstärkern. Für die USA und Europa ist es notwendig, dasjenige SPD zu wählen, das eine Zulassung nach Sicherheitsstandards wie UL/cUL oder IEC/ EN hat. Bild 13 zeigt die Schaltung für den Überspannungsschutz von Industriemaschinen. In Bild 14 sind die SPDs LV275DI-Q4/LV275DI-U4 und GFA-300-Q4 mit UL1449, CSA C22.2, IEC/EN61643-11 zu sehen. Durch die wiederholenden Überspannungen und Ströme über seine Spezifikation hinaus geht das SPD in den Kurzschlussmodus. Durch seine Funktion, sich vom Stromkreis zu trennen, verhindert es ein Verbrennen oder Rauchentwicklung. So gibt es SPDs mit eingebauter Fail-Safe-Funktion, die visuell durch eine Farbänderung des Anzeigefensters als ausgefallen erkannt werden kann, wenn es sich vom Stromkreis trennt, oder Bild 14: Die SPDs LV275DI-U4 und GFA-300-Q4 es wird durch die Signalleitung des B-Kontaktes sofort erkannt, was den Ausfall des SPDs noch schneller meldet und die Netzwerksicherheit erhöht. LED-Beleuchtung In LED-Außenbeleuchtungen erfordert es zunehmend Blitzstoß-Prüfspannungen von 15 kV (1,2/50 µs) für den gemeinsamen Modus der LED-Außenbeleuchtung und außerdem gibt es mehr invasive Wege des Blitzstoßes über die Licht- Steuerungs-Signalleitung. Für diesen Fall gibt es eine Lösung, die Verbindung der Stromleitung und der Signalleitung mit SPDs zu schützen. Besonders für die Power Line sind SPD mit ausfallsicherer Funktion und Wasserdichtigkeit am besten geeignet, s. Bild 15. Produktbeispiele bringt schließlich Bild 16. Schlussfolgerungen Die Lösung für die Immunität von Schaltungen und Stromversorgungen wird immer wichtiger, je weiter die Entwicklungen von elektronischen Geräten voranschreiten (kleiner und schneller) und je niedriger die Versorgungsspannung ist. Zum Schutz von Geräteeingängen sollten die richtigen Komponenten an der richtigen Stelle entsprechend der Energiemenge des Stoßes eingesetzt werden. Nützliche Bauelemente stellen die in diesem Artikel vorgestellten Filter und SPD-Module dar. ◄ Bild 15: Surge Protection für LED Beleuchtung Bild 16: Die SPDs RGF10-152-Q4 (Power Line) und RAM-152BQZ (LED) hf-praxis 11/2020 27

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