Anwendung hybrider AC-Überlastkomponenten für verbesserten Überspannungsschutz

Elektronische Geräte sind allgegenwärtig und entwickeln sich rasant weiter. Sie verfügen über immer empfindlichere Schaltkreise, die in hohem Maße vom Frontend-Schutz abhängig sind, da sie auf die elektrische Infrastruktur zugreifen, die möglicherweise nicht über den modernsten Schutz gegen Überspannungen und Transienten verfügt. Diese Transienten können das Ergebnis von Blitzeinschlägen, Schaltvorgängen oder ähnlichen Überspannungsereignissen sein, die zu Überspannungen und Überströmen führen können, die empfindliche elektronische Geräte beschädigen oder anderweitig beeinträchtigen können.

Bestehende kostengünstige Überspannungsschutztechnologien, wie z. B. Gasentladungsröhren (GDTs) und Metalloxidvaristoren (MOVs), leiten die Überspannungsenergie ab oder begrenzen sie und verhindern so, dass sie das geschützte Gerät erreicht. Beide haben ihre jeweiligen Vorteile, aber beide Bauteile können nur eine begrenzte Anzahl von Transienten verarbeiten, bevor sie ausfallen. Außerdem können GDTs den Strom nicht vollständig abschalten, während MOVs nach einer Reihe von transienten Ereignissen durch thermisches Durchgehen versagen können.

Um die Vorteile von GDTs und MOVs zu nutzen und gleichzeitig deren Schwächen zu verringern, wurden Komponenten der Hybridtechnologie in einem einzigen integrierten Bauelement entwickelt, das bei einem gegebenen Überspannungsschutzniveau eine vergleichsweise geringe Baugröße aufweist. Obwohl die Komplementarität der integrierten Komponenten die Leistung beider verbessert und ihre Lebensdauer verlängert, ist eine sorgfältige Abstimmung der GDT- und MOV-Elemente erforderlich, um effektiv zu sein. Richtig eingesetzt, sind diese IsoMOV™-Hybrid-Überlastschutzbauteile besonders nützlich, um die Einhaltung der IEC/UL62368-1, einer gefährdungsbasierten Norm für Informationstechnologie und audiovisuelle Geräte, zu gewährleisten.

In diesem Artikel wird kurz auf die Funktionsweise von GDT- und MOV-Überlastschutzkomponenten eingegangen, bevor die Eigenschaften von IsoMOV-Hybridschutzbauteile von Bourns in der Praxis untersucht werden. Abschließend wird gezeigt, wie die IsoMOV-Technologie zur Erfüllung der Norm IEC/UL62368-1 implementiert werden kann.

Wie funktionieren Überlastschutzkomponenten?

Überlastschutzkomponenten arbeiten auf zwei Arten: Sie können als Schalter fungieren und die Überspannung zur Erde ableiten (manchmal auch als Überspannungsschutz bezeichnet), oder sie können die Überspannung begrenzen, indem sie die maximale Spannung durch Absorption und Ableitung der transienten Energie auf einen niedrigeren Wert begrenzen.

Die GDT ist ein Beispiel für einen Überspannungsableiter. Sie besteht aus einer Funkenstrecke in einem nicht reaktiven Gas wie Argon und wird über die Netzleitung verdrahtet. Liegt der Spannungspegel unter der GDT-Durchbruchsspannung, befindet sich das Bauteil grundsätzlich in einem hochohmigen „Aus“-Zustand. Erhöht eine transiente Spannung den Spannungspegel über die Durchbruchspannung der GDT, geht die GDT in einen leitenden - oder „eingeschalteten“ - Zustand über (Abbildung 1).

Abbildung 1: Dargestellt sind die Spannungs- und Stromwellenformen für eine ausgelöste GDT. Sobald die Durchbruchspannung überschritten wird, sinkt die Spannung auf etwa 10 Volt, und der Strom steigt deutlich an. (Bildquelle: Bourns)

Da die GDT über den Stromeingang verdrahtet ist, schließt sie im Grunde die Stromquelle kurz. Dadurch wird eine Sicherung, ein Schutzschalter oder eine andere serielle Schutzeinrichtung ausgelöst, wodurch die dem GDT nachgeschalteten Stromkreise geschützt werden. Beachten Sie, dass im ausgeschalteten Zustand die Spannung hoch und der Strom niedrig ist. Im eingeschalteten Zustand ist das Gegenteil der Fall und die Verlustleistung ist sehr gering, außer beim Übergang zwischen den Zuständen. Um den Zustand der GDT zurückzusetzen, muss die Eingangsspannung unter die Durchbruchspannung gesenkt werden. Wenn der Eingang der Stromleitung nicht tief genug abfällt, wird die GDT möglicherweise nicht zurückgesetzt und leitet weiterhin einen „Nachfolgestrom“, so dass sie eingeschaltet bleibt. Die Möglichkeit, dass die GDT eingeschaltet bleibt, ist eine erhebliche Einschränkung für diese Art von Überspannungsschutztechnologie.

Der MOV ist eine Klemmvorrichtung. Wie die GDT wird er über der Netzleitung angebracht. Im Normalbetrieb befindet sich der MOV in einem hochohmigen Zustand und nimmt nur einen geringen Leckstrom auf (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOVs zeigt die bipolare Klemmwirkung. (Bildquelle: Bourns)

Im Falle eines Spannungsstoßes sinkt die Impedanz des MOV und nimmt mehr Strom auf, wodurch die Leistung abgeleitet wird; dies reduziert und begrenzt die Spannung der Transiente. Nach dem Ende der Transiente erhöht sich die MOV-Impedanz und kehrt in den Normalzustand zurück. MOVs werden auf der Grundlage der Anzahl solcher transienten Ereignisse, die sie tolerieren können, bewertet. Nach einer Reihe von transienten Ereignissen kann der Leckstrom des MOV ansteigen. Dadurch erhöht sich die Verlustleistung der Komponente, wodurch sie sich erwärmt. Die Erwärmung erhöht den Leckstrom und kann dazu führen, dass der MOV thermisch durchgeht, was zu einem katastrophalen Geräteausfall führt.

Keine der beiden Überspannungsschutztechnologien ist für sich genommen ideal. Werden GDT und MOV jedoch in Reihe über die Netzleitung geschaltet, wird ihr komplementäres Verhalten deutlich. Im Normalbetrieb ist die GDT ausgeschaltet, und es fließt kein Leckstrom durch den MOV. Bei einer Spannungstransiente wird die GDT ausgelöst, wodurch der MOV in den Stromkreis geschaltet wird. Der MOV fängt dann den transienten Spannungsstoß ab. Wenn die Transiente vorüber ist, schaltet sich der MOV aus und reduziert den Strom durch die GDT, so dass diese sich ebenfalls ausschalten kann.

Damit GDT und MOV in Reihe geschaltet werden können, müssen ihre Eigenschaften sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, damit sie sich perfekt ergänzen. Diskrete Implementierungen unterliegen von der Entwicklung über die Fertigung, Prüfung und Verpackung einer Vielzahl von Variablen, was es für Entwickler schwierig macht, gute Übereinstimmungen zu finden. Um diese Herausforderungen zu meistern, kombinieren die IsoMOV-Hybridschutzvorrichtungen von Bourns einen sorgfältig aufeinander abgestimmten Satz von MOVs und ein GDT-Element in einem einzigen Gehäuse, das viel kleiner ist als die einzelnen Komponenten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das IsoMOV-SPD wird durch Einfügen einer GDT zwischen zwei MOVs gebildet (a). Das zusammengesetzte schematische Symbol ist rechts in (b) dargestellt. (Bildquelle: Bourns)

Die zusammengesetzte transiente Spannungsantwort des IsoMOV-Hybridschutzes in Abbildung 4 zeigt, wie beide Elemente zusammenwirken.

Abbildung 4: Die Spannungsantwort des IsoMOV-Hybridschutzes zeigt, dass die GDT-Komponente durchbricht und die MOV-Komponenten aktiviert, die die nachgeschalteten Schaltkreise schützen. (Bildquelle: Bourns)

Beide Elemente des IsoMOV-Hybridschutzes sind so konstruiert, dass sie unabhängig voneinander der maximalen Dauerbetriebsspannung (MCOV) standhalten. Wie bereits erwähnt, blockiert die GDT die MOV-Leckströme, wenn keine Transienten vorhanden sind. Selbst nach vielen Transienten unterbricht die GDT die ansteigenden MOV-Leckstrompegel. Der MOV verhindert den Folgestrom nach einer transienten Überspannung und schützt so die GDT. Die Geometrie der IsoMOV-Komponente erhöht die Überlastkapazität pro Flächeneinheit im Vergleich zu einem einzelnen MOV.

Aus der Sicht eines Entwicklungsingenieurs bieten IsoMOV-Bauteile einen verbesserten Schutz in einem kleinen integrierten Gehäuse, das sowohl die Anzahl der Komponenten als auch den Platz auf der Leiterplatte minimiert. Der ISOM3-175-B-L2 zum Beispiel ist ein IsoMOV-Hybridschutz mit einem MCOV von 175 Volt Effektivwert (V_eff), der mindestens fünfzehn 3 Kiloampere (kA) Nennstromtransienten mit einer maximalen Klemmspannung von 470 Volt verarbeiten kann (Abbildung 5). Er hat einen Durchmesser von 13,2 Millimetern und eine Dicke von 6,1 mm. Der Durchmesser variiert mit der maximalen Strombelastbarkeit, und die Dicke nimmt mit steigendem MCOV zu.

Abbildung 5: Der ISOM3-175-B-L2 ist ein Beispiel für den kompakten Formfaktor des IsoMOV-Hybridschutzes. Obwohl er zwei MOVs und eine GDT enthält, misst er nur 13,2 mm im Durchmesser bei einer Dicke von 6,1 mm. (Bildquelle: Bourns)

Die IsoMOV-Familie von Bourns umfasst drei verschiedene Nennstromstärken von 3 kA, 5 kA und 8 kA mit MCOV-Werten von 175 bis 555 V_eff. Zu den Komponenten der Mittelklasse gehört der ISOM5-300-B-L2, eine 5kA-Komponente für 300 V_eff mit einem Durchmesser von 17 mm und einer Dicke von 7,1 mm. Am Hochstromende befindet sich der ISOM8-555-B-L2, ein 8kA-Baustein mit einem MCOV von 555 V_eff. Er hat einen Durchmesser von 23 Millimetern und eine Dicke von 9,4 mm. Alle diese Komponenten bieten einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C.

Die IsoMOV-Hybridschutzkomponenten von Bourns bieten diese hohen Überspannungswerte in einem platzsparenden Formfaktor im Vergleich zur Verwendung separater MOVs und GDTs. Sie haben extrem niedrige Leckströme, und die in Reihe geschaltete GDT verlängert die Lebensdauer des MOV. Darüber hinaus sind alle IsoMOV-SPDs als UL1449-Typ-4-Komponenten gelistet, was die Implementierung in Geräte erleichtert.

Implementierung des Schutzes nach IEC/UL62368-1

IsoMOV-Komponenten sind nützliche Lösungen, um die Anforderungen der Norm IEC/UL62368-1 zu erfüllen. Die neue Sicherheitsnorm IEC/UL 62368-1 für audiovisuelle Geräte und Geräte der Informations- und Kommunikationstechnik basiert auf den Grundsätzen der Sicherheitstechnik (Hazard Based Safety Engineering, HBSE) für die physische Sicherheit der Gerätebenutzer und die Durchführung von Sicherheitsmaßnahmen. Sie identifiziert potenziell gefährliche Energiequellen und die Prozesse, durch die Energie auf einen Nutzer übertragen werden kann, sowohl im Normalbetrieb als auch unter fehlerhaften Bedingungen.

Der empfohlene Eingangsschutz in Abbildung 6 umfasst Schutzvorrichtungen von der Leitung zum Nullleiter, von der Leitung zum Schutzleiter und vom Nullleiter zur Schutzerde.

Abbildung 6: Die empfohlene Eingangsschutzschaltung gemäß IEC/UL62368-1 verfügt über Schutzvorrichtungen zwischen Leitung und Nullleiter, Leitung und Schutzerde sowie Nullleiter und Schutzerde. (Bildquelle: Bourns)

Die GDTs in Reihe mit MOVs oder IsoMOVs zwischen Leitung und Erde oder Nullleiter und Erde werden benötigt, um vor Stromschlägen zu schützen, die auftreten könnten, wenn ein MOV allein verwendet würde. Wäre die Schutzerde nicht angeschlossen, könnte der Ableitstrom des MOV allein hoch genug sein, um Verletzungen zu verursachen, wenn der Benutzer den isolierten Erdungspfad berührt. Wird die GDT in Reihe geschaltet, wird dieser Leckstrom eliminiert.

Zu den Gefahren, die von MOVs und Geräten, die MOVs enthalten, ausgehen, gehören Stromschläge durch übermäßige Leckströme und die Möglichkeit eines Brandes. Aufgrund ihres Ausfallmodus gelten MOVs als potenzielle Zündquellen (PIS), so dass die Konstruktion Maßnahmen zur Verringerung der Zündmöglichkeit und zur Verhinderung der Ausbreitung eines Brandes umfassen muss.

Überlastschutzkomponenten tragen zur Erhöhung der Produktzuverlässigkeit bei und müssen die in der Norm geforderten spezifischen Tests erfüllen. Zum Beispiel muss der MCOV eines MOV mindestens das 1,25-fache der oberen Spannungsgrenze des Spannungsbereichs des Geräts betragen. Bei Geräten mit einem Eingangsbereich von 85 bis 250 Volt AC sollte der Mindest-MCOV für einen Netzschutz-MOV in diesem Gerät 313 Volt betragen. Netzschutzschaltungen, die ein MOV in der Leitung enthalten, werden einer Prüfung unterzogen, die auf einer Netzspannung des doppelten Nennwertes basiert. Der Eingangsstrom wird nacheinander durch Widerstände auf Werte von 0,125, 0,25, 0,5, 1 und 2 A begrenzt. Da der MOV eine potenzielle Brandquelle ist, wird die Prüfung so lange fortgesetzt, bis der MOV ausfällt. Diese Prüfung ist für MOVs mit einer MCOV von mehr als dem Zweifachen der maximalen Netzspannung nicht erforderlich, da die Wahrscheinlichkeit eines MOV-Ausfalls unter diesen Bedingungen sehr gering ist.

Fazit

Die hybriden Schutzvorrichtungen von IsoMOV bieten einen verbesserten und kompakteren Schutz für elektronische Systeme, die sich immer schneller weiterentwickeln, schrumpfen und ausbreiten, und das vor dem Hintergrund einer veralteten oder schlecht geschützten Infrastruktur und sich ständig weiterentwickelnder Benutzerschutzstandards. Neben außergewöhnlicher Leistung und Platzersparnis zeichnen sie sich durch einen erweiterten Temperaturbereich, geringe Leckströme und eine hohe Energieaufnahmefähigkeit aus. Sie sind besonders vorteilhaft für industrielle Anwendungen, die hohen Überspannungen ausgesetzt sind, können aber auch problemlos in audiovisuellen Geräten und Geräten der Informations- und Kommunikationstechnologie eingesetzt werden, um die Norm IEC/UL62368-1 zu erfüllen, die auf HBSE (Hazard Based Safety Engineering) basiert.