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4-2022

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Zeitschrift für Elektro-, Gebäude- und Sicherheitstechnik, Smart Home

Gebäudetechnik und

Gebäudetechnik und -automation Gasableiter: schematische Darstellung, Bestandteile und Kennlinie • Impulse Sparc-Over Voltage: Diese muss geringer sein als die maximale Spannung, die die folgende Schaltung ohne Ausfälle verarbeiten kann. • Arc Voltage: Im Falle einer alleinigen Verwendung eines Gasableiters vor einer Stromversorgung muss die Lichtbogenspannung größer sein als die maximale Versorgungsspannung. • Impulse Discharge Current: Dieser muss höher sein, als die nachfolgende Schaltung erlaubt. Kann die nachfolgende Schaltung nur maximal 5 kA vertragen, muss ein Ableiter mit einem Stoßentladestrom >5 kA gewählt werden. Der Varistor Varistoren sind nichtlineare Widerstände. Die Bezeichnung ist ein Kunstwort aus Variable und Resistor. Varistoren sind bis zu einer definierten U/I-Kennlinie Varistor Spannung hochohmig und werden dann sehr schnell niederohmig. Die U/I-Kennlinie beschreibt dabei ein angenähert stark exponentielles Verhalten. Wie bei einer TVS-Diode begrenzt der Varistor die transiente Überspannung auf eine Restspanung (clamping voltage). Varistoren sind gesinterte keramische Bauelemente. Die mit MOV abgekürzten Metalloxid-Varistoren werden meist aus Zinkoxid hergestellt. Die gesinterten Zinkoxidkörner bilden an ihren Berührungspunkten Sperrschichten. Mit der Zunahme einer angelegten elektrischen Spannung werden die Sperrschichten abgebaut und der Widerstand sinkt. Metalloxid-Varistoren werden als Standardbauform in Scheiben oder für ein noch größeres Energieabsorptionsvermögen in Blöcken angeboten. Sie können mit hohen Spannungen betrieben werden und eignen sich deswegen sehr gut als Überspannungschutz-Element in Stromversorgungsleitungen. Nachteilig bei Metalloxid-Varistoren ist, dass mit jedem Ereignis einer Überspannung, die Sperrschichten zwischen den Körnern im Zuge von einer Wärmeentwicklung allmählich verschwinden. So verändert sich der Varistor zunehmend zu einem Widerstand, was wiederum in eine vermehrte Wärmeentwicklung und Degradierung mündet. Ab einem bestimmten Zeitpunkt schützt der Varistor die Folgeschaltung nicht mehr ausreichend. Datenblätter geben hierüber Aufschluss und es gibt auch höherwertige Serien, die mit einer größeren Anzahl an Überspannungsereignisssen belastet werden können. Eine weitere Form sind Multilayer-Varistoren (MLV), die in ihrem Aufbau dem der Keramikkondensatoren ähneln. Zwischen dünnen Metallschichten liegen feine Zinkoxidschichten. Die Metallschichten sind gemeinsam zu Elektroden verbunden. Mit diesen Strukturen lassen sich sehr gut SMDbestückbare und miniaturierte Varistoren in standardisierten Bauformen (z.B. 0201, 0402) realisieren. Multilayer-Varistoren sind aufgrund der kleineren Bauformen nur für Spannungen bis ca. 120 V erhältlich und im Energieabsorptionsvermögen begrenzter. Aufgrund der miniaturisierten Bauform werden sie gerne in Signalleitungen oder auch als ESD-Schutz eingesetzt. Unterschiede zwischen TVS-Dioden und Multilayer-Varistoren (MLVs) TVS-Dioden und Multilayer-Varistoren (MLVs) haben ein sehr ähnliches Verhalten. Tatsächlich sind aber Struktur und die Fertigungsmethode vollkommen unterschiedlich (s. oben). Im Allgemeinen können MLV mit TVS-Dioden ausgetauscht werden, tatsächlich gibt es jedoch Unterschiede, die beachtet werden sollten. In erster Linie ist die TVS-Diode ein unidirektionales Bauelement. Bidirektionale TVS-Dioden sind zwei in umgekehrter Richtung parallel verschaltete TVS-Dioden in einem Gehäuse. MLVs sind, wie alle Varistoren bidirektional. Wie oben beschrieben unterliegen Varistoren einer Degradierung im Laufe von Überspannungs-Ereignissen. Hier verhalten sie TVS-Dioden wesentlich robuster und degradieren wenig bis gar nicht. MLVs sind in sehr kleinen Bauformen erhältlich, was in miniaturisierten Applikationen von Bedeutung sein kann. Im Allgemeinen haben MLVs eine um die Größenordnung 10 bis 100 höhere Kapazität und sind tendenziell für den Überspannungschutz in Gigabit-Datenleitungen weniger geeignet. Tatsächlich wurden auch Serien entwickelt mit sehr geringen Kapazitäten, die ggf. in den Kosten einen Aufschlag verlangen. Richtig eingesetzt, kann die Eigenkapazität der Bauelemente für die Entstörung verwendet werden. Ein wichtiger Punkt bei der TVS-Diode ist das Derating über Termperatur, das schon bei 25 °C beginnt. Bei höheren Umgebungstemperaturen hat das eine erhebliche Auswirkung auf das Energieabsorbtionsvermögen und weitere Parameter, die zur Schutzfunktion beitragen. Bei MLVs setzt ein Derating über Temperatur erst ab ca. 85 °C ein. Wichtige Parameter Varistoren: • VRMS, VAC: empfohlene (maximale) Betriebsspannung im AC-Betrieb • VDC: empfohlene (maximale) Betriebsspannung im DC-Betrieb • Isurge, Imax: maximaler Strom bei einem definierten Impuls. Die Impulsform (z.B. 8/20 µs) wird dabei angegeben. 20 Haus und Elektronik 4/2022

Gebäudetechnik und -automation Darstellung der Lighting Protection Zones (LPZ) • Wmax: maximales Energieabsorbtionsvermögen (in Joule) mit Angabe eine Zeitraums (z.B. in ms) • Pmax: maximum power dissipation, maximale Leistungsdissipation (in W) • VVAR, V1mA: Varistorspannung, Spannung bei 1 mA • Vcl, VC: maximale Klemmenspannung (clamping voltage) • C0: Eigenkapazität • Bauform: z.B. EIA für MLVs: 0201, 0402 oder Scheibendurchmesser von MOVs Die Dimensionierung: Netzspannung Primärschutz Klasse 1 Blitzschutzzone: LPZ0B-3 • VRMS, VAC muss gleich oder höher sein als die Betriebspannung im Normalbetrieb. • Isurge, Imax, Wmax, Pmax: Die Bestimmung dieser Werte hängt von vielen Faktoren ab und würde den Rahmen hier übersteigen. Die Ermittelung der Werte kann mit Simulationen, Testschaltungen, mathematische oder auch grafische Berechnungen erfolgen. Folgende Fragen sind hierbei wichtig: • Welchen Impuls (Stärke und Form) muss die zu schützende Schaltung ohne Beschädigung überstehen können? Anforderungen sind im Allgemeinen in Normen (z.B. IEC 61000-4-x) festgelegt und formuliert. Ebenso sind applikationsspezifische Normen und Standards zu berücksichtigen. • Welche verbleibende Energie kann die zu schützende Schaltung ohne Beschädigung absorbieren? • Wieviele Überspannungsereignisse sind erlaubt, bis eine bestimmte Degradierung des Schutzelementes oder Beschädigung der Folgeschaltung eintritt? Welchen zeitlichen Abstand dürfen die Überspannungsereignisse haben? Netzspannung Primärschutz Klasse 2 Blitzschutzzone: LPZ1 • Auch: In welchem Verhältnis darf das Budget der Überspannungsschutzes im Vergleich zur zu schützenden Folgeschaltung stehen? Tatsächlich werden aus diesen Gründen in vielen Fällen (kleinere) Bauformen gewählt, die dann nicht so hoch belastbar sind. In Abwägung lieber die größere Bauform wählen. • Vcl, VC: Abgleich des maximalen Spannungsanstieges (clamping voltage) des gewählten Varistor Übersicht Parameter der Testimpulse Haus und Elektronik 4/2022 21

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