Epcos-Vielschichtvaristoren  der MLV-High-Surge-Serie basieren auf einem neuen Keramikmaterial.

Epcos-Vielschichtvaristoren der MLV-High-Surge-Serie basieren auf einem neuen Keramikmaterial. TDK

Überspannungen, die sich auf elektrische Geräte auswirken, haben viele Ursachen, verschiedene Energiegehalte und werden über unterschiedliche Pfade eingekoppelt. ESD-Impulse etwa, gemessen nach IEC 61000-4-2, betreffen hauptsächlich I/Os von Kommunikationsgeräten. Hierbei wird mit einer Testspannung von 8 kV (Kontaktentladung) und 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.

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 × 0,2 mm2 bei einer extrem geringen Höhe von 0,1 mm. Diese Varistoren eignen sich für den Einsatz in mobilen Applikationen wie Smartphones, Tablets und Wearables.

Bild 1a: Messung des Kurzschlussstroms nach IEC 61000-4-5 mit einer Impulsform von 8 µs / 20 µs.

Bild 1a: Messung des Kurzschlussstroms nach IEC 61000-4-5 mit einer Impulsform von 8 µs / 20 µs. TDK

Bild 1b: Messung der Leerlaufspannung nach IEC 61000-4-5 mit einer Impulsform von 1,2 µs / 50 µs.

Bild 1b: Messung der Leerlaufspannung nach IEC 61000-4-5 mit einer Impulsform von 1,2 µs / 50 µs. TDK

Blitze und ihre Folgen

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 µs / 20 µs für den Kurzschlussstrom und 1,2 µs / 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 spart Platz

Um die Kompaktheit und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit von Vielschichtvaristoren zu verbessern, hat TDK ein neues Keramikmaterial für Schutzbauelemente der neuen High-Surge-Serie entwickelt. Die besseren Eigenschaften des 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 wächst. Gleichzeitig stieg die relative Permittivität um ein Vielfaches, wodurch sich – ebenfalls im selben Volumen – eine deutlich höhere elektrische Feldstärke EV realisieren lässt (Bild 2).

Bild 2: In den neuen Epcos-Vielschichtvaristoren der High-Surge-Serie steigt die Feldstärke dank einer neuen Keramik (rechts) mit feinerer Kornstruktur. Möglich wurde das durch eine spezielle Metalloxiddotierung.

Bild 2: In den neuen Epcos-Vielschichtvaristoren der High-Surge-Serie steigt die Feldstärke dank einer neuen Keramik (rechts) mit feinerer Kornstruktur. Möglich wurde das durch eine spezielle Metalloxiddotierung. TDK

Durch die verbesserten elektrischen Eigenschaften konnte TDK bei einer bestimmten Spannungsklasse des Varistors die Zahl der inneren Elektroden erhöhen, wodurch die Stoßstrombelastbarkeit des Bauelements bei gleicher Baugröße deutlich steigt beziehungsweise sich die geforderte Performance in erheblich kleineren Baugrößen realisieren lässt.

Das heißt konkret: Während Standard-Varistoren mit einer Stoßstrombelastbarkeit von 1200 A (8 µs / 20 µs) in der Bauform EIA 2220 gefertigt werden, ist es TDK mit der neuen Keramik gelungen, dieselbe Performance bei der High-Surge-Serie in der Bauform EIA 1210 zu realisieren. Das entspricht einer Volumenreduzierung um mehr als Faktor drei.

Kleinere Klemmspannung und höhere Leistung

Bild 3: Der neue Epcos High-Surge-Low-Clamp-Typ erlaubt bei einer Klemmspannung von 135 V einen Stoßstrom von 400 A.

Bild 3: Der neue Epcos High-Surge-Low-Clamp-Typ erlaubt bei einer Klemmspannung von 135 V einen Stoßstrom von 400 A. TDK

Durch die höhere zulässige Feldstärke und die gestiegene Zahl der inneren Elektroden konnte TDK auch die Klemmspannung der Bauelemente herabsetzen. Sie tritt bei einem ESD-Ereignis zusammen mit einem bestimmten Stoßstrom am Bauelement auf. Je höher die am Varistor auftretende Klemmspannung bei gleichem Strom, umso größer ist auch die elektrische Leistung und damit die Energie, die der Varistor aufnehmen muss. Das heißt im Umkehrschluss: Bei kleineren Klemmspannungen steigt die Strombelastbarkeit, um dieselbe Energieaufnahme zu erzielen.

So ist zum Beispiel der bestehende Epcos-Vielschichtvaristorentyp CN2220K50E2GK2 bei einer Klemmspannung von 135 V mit 10 A spezifiziert. Dagegen erreicht der neue High-Surge-Low-Clamp-Typ CT2220S50E3G mit dem verbesserten Keramikmaterial bei derselben Klemmspannung eine Stoßstrombelastbarkeit von 400 A (Bild 3). Dieser neue Varistor bietet damit einen deutlich besseren Schutzgrad.

Eckdaten

  • Baustein: Epcos MLV-High-Surge-Serie
  • Bauform: EIA 1210 bis EIA 2220
  • Maximale Arbeitsspannung: 65 VDC
  • Varistorspannung bei 1 mA: bis 85 VDC
  • Stoßstrombelastbarkeit bei 8 µs / 20 µs: bis zu 1 × 5000 A und 10 × 3500 A
  • Klemmspannung bei 200 A mit neuer Keramik: maximal 135 V
  • Maximale Energieabsorption in 2 ms: bis 15.000 mJ
  • Maximale Betriebstemperatur: 125 °C

Weniger Schutzbauelemente, mehr Sicherheit

Um mit SMT-Vielschichtvaristoren eine möglichst hohe Stoßstrombelastbarkeit zu erreichen, werden in der Regel mehrere Bauelemente parallel geschaltet. Da Varistoren jedoch Spannungstoleranzen von bis zu ±20 % aufweisen, sind hierfür exakt aufeinander abgestimmte Bauelemente erforderlich. Diese Vorgabe wiederum stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. Da trotz enger Tolerierung die elektrischen Charakteristiken der einzelnen Bauelemente leicht voneinander abweichen, werden bei einem ESD-Ereignis Bauelemente mit unterschiedlichen Strömen beaufschlagt. Nicht selten fällt dann der am stärksten belastete Varistor aus.

Die neue Keramik verringert jedoch das Sicherheitsrisiko, da sich mit diesem Werkstoff Varistoren fertigen lassen, die in nur einem Bauelement die entsprechende hohe Stoßstrombelastbarkeit und damit Schutzwirkung bieten. Somit sinkt auch die Anzahl der benötigten Schutzbauelemente, was Leiterplattenfläche spart sowie die Kosten im Materialeinsatz und in der Montage senkt.