Varistoren sind spannungsabhängige, nichtlineare Bausteine, die sich wie eine Back-to-Back-Zener-Diode verhalten und damit elektronische Schaltungen vor Überspannungen schützen. Sie bieten einen weiten Spannungsbereich, hohe Energieaufnahmefähigkeit und eine schnelle Reaktion auf Spannungsspitzen. Varistoren können Spitzenstromwerte von 20 bis 70.000 A und Energiespitzenwerte von 0,01 bis zu 10.000 J abdecken. Spannungsspitzen, also kurzzeitige elektrische Überspannungen, haben häufig folgende Ursachen:

  • Transienten aufgrund von Blitzschlag sind nicht das Ergebnis eines direkten Einschlags. Bei einem Blitzschlag entsteht ein Magnetfeld, das in nahegelegenen elektrischen Leitungen hohe Transienten hervorruft. Blitze zwischen Wolken können sich sowohl auf oberirdische als auch unterirdische Kabel auswirken. Ein Blitzschlag kann in 1,6 km Entfernung etwa 70 V in elektrischen Leitungen erzeugen, bei einer Entfernung von 160 m können es schon 10 kV sein.
  • Das Schalten induktiver Lasten erzeugt hochenergetische Transienten, die sich mit dem Anstieg der Lasten erhöhen. Wenn eine induktive Last abgeschaltet wird, bricht das Magnetfeld zusammen und erzeugt elektrische Energie in Form einer exponentiell verdoppelten Transiente. Je nach Quelle kann eine solche Transiente hunderte Volt und Ampere stark werden und bis zu 400 ms dauern. Typische Quellen von induktiven Transienten sind Generatoren, Motoren, Relais und Transformatoren. Weil die Größen der Lasten variiert, variieren auch Wellenform, Dauer, Spitzenstrom und Spitzenspannung der Transienten. Sobald diese Variablen annähernd bemessen werden können, können Entwickler einen geeigneten Suppressor-Typ auswählen.
  • Elektrostatische Entladungen (ESD) zeichnen sich durch einen sehr raschen Anstieg und sehr hohe Spitzenspannungen und -ströme aus. Sie sind das Ergebnis eines Ungleichgewichts der positiven und negativen Ladungen zwischen Objekten.
Bild 1: Metalloxid-Varistoren (MOV) gibt es in einer Vielzahl von Formfaktoren und Größen für eine breite Palette von Anwendungen.

Bild 1: Metalloxid-Varistoren (MOV) gibt es in einer Vielzahl von Formfaktoren und Größen für eine breite Palette von Anwendungen. Littelfuse

Aufbau

Varistoren bestehen hauptsächlich aus Zinkoxid (ZnO) mit kleinen Zusätzen von anderen Metalloxiden, wie Wismut, Kobalt und Mangan. Bei der Herstellung werden die Metalloxid-Varistoren (MOV, Metal Oxide Varistors) in einen keramischen Halbleiter eingesintert. Das erzeugt eine kristalline Mikrostruktur, mit deren Hilfe die Bauteile über ihre gesamte Masse sehr hohe transiente Energien abführen können. Nach dem Sintern metallisiert der Hersteller die Oberfläche und lötet die Leitungen auf. Aufgrund ihrer hohen Energieableitung eignen sich MOV zur Ableitung von Blitzschlägen und andere hochenergetischen Transienten in Wechselstromanwendungen. Sie tolerieren hohe Energiemengen und halten diese potenziell zerstörerische Energie von empfindlicher nachgeschalteter Elektronik fern. MOV kommen auch in Gleichstromkreisen, wie Niederspannungs-Stromversorgungen und Automobilanwendungen zum Einsatz. Von den vielen MOV-Formfaktoren (Bild 1) ist die radial bedrahtete Scheibe am häufigsten anzutreffen.

Eckdaten

Varistoren sind ein sehr praktisches Bauteil, um transiente Überspannungen von empfindlicher Elektronik fernzuhalten. Doch nur wer die Varistoren passend auslegt, schützt die Elektronik zuverlässig. Littelfuse erklärt die Grundlagen und zeigt als Praxisbeispiele einen LED-Treiber und eine industrielle Motoranwendung.

Mehrschicht-Varistoren (MLV, Multilayer Varistors) sind für die Leiterplattenumgebung gedacht. Wenn auch mit niedrigerer Energie, treten auch hier Transienten aus ESD, dem Schalten induktiver Lasten oder auch aus Überbleibseln von Blitzstoßströmen auf und können empfindliche integrierte Schaltungen erreichen. MLV bestehen ebenfalls aus Zinkoxid-Materialien, werden jedoch mit verflochtenen Schichten von Metallelektroden in bleifreien Keramik-Gehäusen produziert. Sie gehen von einem hochohmigen in einen leitenden Zustand über, wenn sie Spannungen ausgesetzt sind, die ihre Nennspannung übersteigen, und können im Vergleich zu ihrer Größe signifikante Überspannungsenergien ableiten. Damit eignen sich MLV sehr gut für Datenleitungen sowie für den Überspannungsschutz in Stromversorgungen.

Bild 2: Diese typische Varistor-V-I-Kennlinie zeigt die Durchbruchscharakteristik des Bausteins.

Bild 2: Diese typische Varistor-V-I-Kennlinie zeigt die Durchbruchscharakteristik des Bausteins. Littelfuse

Dank ihrer scharfen, symmetrischen Durchbruchscharakteristik (Bild 2) können Varistoren einen hervorragenden Überspannungsschutz bieten. Beim Auftreten von hohen Überspannungen ändert sich ihre Impedanz um mehrere Größenordnungen von einem nahezu offenen Stromkreis in einen leitenden Zustand, wodurch sie den Impuls auf ein sicheres Maß beschränken.

Die Wahl des richtigen MOV

Um einen geeigneten MOV für eine bestimmte Überspannungsschutzanwendung auszuwählen, muss der Entwickler zunächst die Betriebsparameter der Schaltung bestimmen, zum Beispiel:

Tabelle 1: Auswahl von Varistoren.

Tabelle 1: Auswahl von Varistoren. Littelfuse

  • Stromkreisbedingungen, wie Spitzenspannung und Strom während der Überspannung
  • Dauerspannung des MOV (sollte 20 % über der maximalen Systemspannung unter normalen Bedingungen liegen)
  • Anzahl der Überspannungen, die der MOV tolerieren soll
  • Akzeptable Durchlassspannung für die geschützte Schaltung
  • Sämtliche Sicherheitsstandards, denen die Schaltung entsprechen muss

Für das folgende Beispiel sei ein Niederspannungs-Gleichstrom-MOV in Scheibenform gesucht. Er muss folgende Schaltungsbedingungen und Anforderungen erfüllen:

Bild 3: Beispiel-Impulsrate für einen 20 mm großen MOV.

Bild 3: Beispiel-Impulsrate für einen 20 mm großen MOV. Littelfuse

  • 24-VDC-Schaltung
  • Stromkurve der Überspannung ist 8 × 20 μs; Spannungsform ist 1,2 × 50 μs (typische Industriestandards)
  • Spitzenstrom während der Überspannung ist 1000 A
  • Der MOV soll 40 Überspannungsereignisse tolerieren
  • Andere Komponenten (etwa Steuerungs-IC) sind auf maximal 300 V ausgelegt

Um die Nennspannung des MOV zu bestimmen, sind 20 % Puffer einzurechnen, um ein Anschwellen der Spannung und Toleranzen der Stromversorgung Rechnung zu tragen: 24 VDC × 1,2 = 28,8 VDC. Da es keine Varistoren mit dieser Nennspannung gibt, kommen MOV mit 31 VDC in Betracht.

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