Die Grundlagen des Überspannungsschutzes in der Stromversorgung

Das Problem der Stromstöße

Überspannungen sind bei vielen netzbetriebenen Geräten ein Problem. Überspannungen können Netzteile und die von ihnen versorgten Geräte beschädigen, wenn sie nicht richtig für die vorgesehene Umgebung ausgelegt sind. Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen des Überspannungsschutzes, indem er die Ursachen von Überspannungen aufzeigt, sich mit den behördlichen Normen für Überspannungstests vertraut macht und Designs und Komponenten zur Überspannungsunterdrückung vorstellt.

Die drei Hauptursachen für Überspannungen sind:

• Blitzschlag
• Spannungsausschläge
• Fehler

Blitzeinschläge sind eine häufige Quelle für externe Überspannungen und führen weit mehr Strom bei weit höheren Spannungen, als die meisten elektronischen Systeme aushalten. Diese Überspannungen sind in der Regel groß genug, um den sofortigen Ausfall elektronischer Geräte zu verursachen, wenn kein entsprechender Schutz vorhanden ist.

Überspannungen in der Wechselstromleitung können auch entstehen, wenn andere Geräte in einem Stromkreis ein- oder ausgeschaltet werden. Reaktive Lasten, wie Motoren oder Kondensatorbatterien, ähneln Kurzschlüssen, bevor sie ihre elektrischen und magnetischen Felder aufbauen. Beim Ausschalten kann die in diesen Feldern gespeicherte Energie auch schnell wieder in das System abgegeben werden. In beiden Fällen können die großen und schnellen Stromtransienten Spannungsspitzen induzieren und zum Ausfall ungeschützter Geräte führen.

Fehler können auch die Quelle von Überspannungen sein und dazu führen, dass zu hohe Spannungen an den Stromversorgungseingang angelegt werden. Der Ausfall von Systemkomponenten und Geräten kann zu transienten Spannungen und Strömen in anderen Teilen des Systems führen, die durch unbeabsichtigtes Kurzschließen oder Öffnen von Stromkreisen verursacht werden.

Die Intensität und Höhe der Überspannung am Eingang des Netzteils hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. dem Standort, der Verkabelung und dem Grad des Überspannungsschutzes, der am Eingang des Netzteils angebracht wurde, sei es intern oder extern.

Internationale Normen definieren Schutzniveaus

Es wurden Normen entwickelt, um das erforderliche Schutzniveau zu klassifizieren und eine Orientierungshilfe zu bieten. Die gebräuchlichste Norm für Stromversorgungen ist die Norm IEC 61000-4-5 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission. Sie wird in vielen nationalen Immunitätsnormen erwähnt, wie z. B. in der Norm EN 55035, die Immunitätsanforderungen für Multimedia-Geräte festlegt.

Die Norm IEC 61000-4-5 definiert ein standardisiertes Prüfverfahren und verschiedene Schutzniveaus auf der Grundlage von Installationsklassen und Kopplungsmethoden. Gleichstromversorgungen sind in der Regel für die Installationsklassen 3–5 vorgesehen, die Prüfanforderungen von 1 bis 4 kV haben (Tabelle 1).

Stromkreise und Geräte zur Überspannungsunterdrückung

Um Stromversorgungen und ihre Lasten vor Überspannungen zu schützen, ist in der Regel eine Art interner oder externer Überspannungsschutz erforderlich. Es gibt zwei Hauptklassen von Überspannungsschutzschaltungen:

• Klemmen
• Brechstangen

Überspannungsklemmen

Spannungsklemmen verhindern, dass die Spannung die gewählte Klemmenspannung überschreitet. Während des Überspannungsereignisses wird die Spannung auf der Klemmenspannung gehalten und der Strom wird durch die Klemme umgeleitet, bis die Überspannung vorüber ist. Zwei Geräte, die häufig als Klemmen verwendet werden, sind Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen (Transient Voltage Suppression Diodes, TVS) und Metalloxidvaristoren (Metal-Oxide Varistors, MOV). Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, sind die Geschwindigkeit und die Energieaufnahmefähigkeit der einzelnen Klemmen umgekehrt proportional zueinander und können dazu führen, dass eine Kombination von Klemmentypen erforderlich ist.

Dioden zur Unterdrückung von Spannungsspitzen

TVS sind Dioden, die die überschüssige Energie einer Spannungsspitze absorbieren und sie so abfangen. Sie können entweder unidirektional oder bidirektional sein. Diese Dioden haben wie eine Zener-Diode eine Kniespannung, oberhalb derer die Diode zu leiten beginnt. Dadurch wird die Spannung an der Kniespannung festgehalten und die überschüssige Energie wird von der Stromversorgung abgeleitet.

Varistorklemmen

Der bidirektionale Metalloxidvaristor (MOV) ist ein spannungsabhängiger variabler Widerstand. MOVs haben einen hohen Widerstand bei niedriger Spannung und einen niedrigen Widerstand bei hoher Spannung. Sie liefern eine weichere Klemmspannung und haben eine langsamere Reaktionszeit als TVS-Dioden. MOVs nutzen sich auch ab und können nur eine begrenzte Anzahl von Überspannungsereignissen bewältigen. Aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer Fähigkeit, Überspannungen zu bewältigen, werden sie jedoch häufig für den Überspannungsschutz in Stromversorgungen eingesetzt.

Brechstangenschaltungen

Die Brechstange ist eine andere Art von Überspannungsschutzschaltung. Brechstangengeräte begrenzen die Spannung nicht auf einen Maximalwert, sondern schließen die Schaltungsknoten kurz, sodass die Spannung gegen null geht. Gasentladungsröhren (Gas Discharge Tubes, GDT) werden in der Regel als Brechstangen verwendet. GDTs fungieren als spannungsabhängige Schalter, ähnlich wie TVS. Dieses Gerät verhält sich normalerweise wie ein offener Stromkreis und ein Kurzschluss, wenn seine Spannungsschwelle überschritten wird. GDTs können mehr Strom verarbeiten, sind aber auch die am langsamsten reagierenden Überspannungsschutzvorrichtungen. Bei Stromversorgungen werden sie manchmal in Verbindung mit anderen Methoden eingesetzt, um eine robustere Lösung zu erzielen.

Überspannungsfestigkeit bei handelsüblichen Netzteilen

Handelsübliche Netzteile können über einen internen Überspannungsschutz verfügen, müssen es aber nicht. Netzteile für die Leiterplattenmontage bieten eine Reihe von Optionen, von keinem internen Schutz bis hin zum maximalen Schutz. Oft stellen die Hersteller Referenzdesigns zur Verfügung, um die inhärente Leistung zu verbessern. Der Designer muss auf das Datenblatt achten, um zu sehen, ob die externe Schaltung des Herstellers die entsprechende Leistung für die Anwendung bietet.

Überspannungsvorhersage und Systembewertung

Es ist typisch für Überspannungen, dass jede einzelne Überspannung völlig unvorhersehbar ist. Dennoch ist es möglich, ein System zu bewerten und vorauszusehen, welchen Arten von Überspannungen es ausgesetzt sein könnte, und ein angemessenes Maß an Überspannungsschutz zu empfehlen. Das angemessene Niveau kann variieren. Bei einigen Systemen ist zu erwarten, dass es zu den häufigsten und relativ einfach zu handhabenden Überspannungen kommt. Zum Beispiel, wenn sich andere Geräte in der Nähe ein- und ausschalten. Das andere Extrem könnte ein System in einem Gebiet sein, in dem es eine große Anzahl von Blitzen gibt. In diesem Fall wäre ein Schutz gegen stärkere Spannungsspitzen wahrscheinlich empfehlenswert. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es viele verschiedene Umstände, und genau dabei können Experten wie CUI Ihnen helfen, die richtige Stromversorgung für Ihre Anwendung zu finden.

Kategorien: Grundlagen, Produktauswahl, Sicherheit und Compliance

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