Die Gasentladungsröhre: Eine „alte“ Schutzkomponente erweitert ihre Vielseitigkeit

Schaltkreisschutz ist wie eine Versicherung: Man braucht ihn nicht, bis man ihn braucht, und dann ist man erleichtert, ihn zu haben. Dieser Schutz lässt sich in zwei große Kategorien einteilen: Schutz gegen Überstrom, z. B. durch eine Sicherung, und Schutz gegen Überspannung, z. B. durch Metalloxidvaristoren (MOVs) und Gasentladungsröhren (GDTs) (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine Gasentladungsröhre (GDT) kann für den Überspannungsschutz allein oder in Verbindung mit anderen Überspannungs- und Überstrom-Schutzkomponenten verwendet werden. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Die Vorstellung von Gasentladungsröhren (GDTs) und ihren leitenden Punkten mag Bilder aus Frankenstein-Filmen mit großen, sperrigen Komponenten und Baugruppen hervorrufen, die dramatische, gut sichtbare Funken erzeugen. GDTs zum Schutz von Schaltkreisen sind jedoch recht klein, und Versionen mit zwei Elektroden lassen sich leicht zwischen der zu schützenden Leitung oder dem Leiter (in der Regel eine Wechselstromleitung, ein I/O-Port oder ein anderer freiliegender Leiter) und der Systemerdung platzieren.

Diese GDTs bieten eine nahezu ideale Funktionalität, indem sie höhere Überspannungen zur Erde ableiten. Unter normalen Betriebsbedingungen verhält sich das Gas im Inneren des Bauelements wie ein Isolator, und die GDT leitet keinen Strom; sie ist für den Schaltkreis so gut wie unsichtbar, wie ein nicht ideales Bauelement nur sein kann, mit einer Impedanz von mehreren Gigaohm, wenn es nicht aktiviert ist, und nur wenigen Picofarad (pF) an parasitärer Kapazität.

Wenn jedoch die Spannung an den Anschlüssen die Überschlagsspannung der Komponente überschreitet, wird das Gas in der GDT vollständig ionisiert und funktioniert nicht mehr als Isolator. Stattdessen erfolgt die Leitung über die Anschlüsse der Komponente innerhalb eines Bruchteils einer Mikrosekunde (Abbildung 2). Der Blitzableitereffekt der GDT begrenzt die Überspannung effektiv auf ein niedriges Niveau und leitet den damit verbundenen Stromfluss oder Stromstoß von den nachgeschalteten Komponenten und Schaltkreisen ab.

Abbildung 2: Wenn die Überspannungsgrenze überschritten wird, ionisiert das GDT-Gas, und das Bauteil geht in weniger als einer Mikrosekunde von einer nahezu unendlichen Impedanz zu einem hochleitenden Pfad über. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Wenn die Überspannung nachlässt und die Systemspannung wieder auf ein normales Niveau zurückkehrt, kehrt die GDT in ihren hochohmigen (ausgeschalteten) Zustand zurück. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass GDTs nicht gepolt (bidirektional) sind und im Gegensatz zu anderen Spannungsschutzvorrichtungen nicht durch wiederholte Funkenüberschläge verschleißen.

Trotz ihres Alters und des antiken Status ihrer Funkenstreckenprinzipien, der mit Benjamin Franklin und seinem Drachenexperiment (1752) und Humphrey Davys Verwendung des Funkenbogens (Anfang des 19. Jahrhunderts) begann, sind GDTs immer noch sehr brauchbar. Sie werden ständig weiterentwickelt, um den Anforderungen der heutigen Schaltungen und Systeme gerecht zu werden.

Der übliche Wert für die Überschlagsspannung in Luft liegt bei 30 Kilovolt/Zentimeter (kV/cm). Durch Anpassung der Elektrodenabstände und anderer Faktoren können GDTs mit Überschlagsspannungen von unter 100 Volt bis zu Tausenden von Volt gebaut werden.

GDTs werden kontinuierlich verbessert

Die Serie GDT28H der nächsten Generation von Hochstrom-GDTs von Bourns, Inc. zum Beispiel verbessert den Schutz vor Spannungstransienten, die durch Blitzschlag und andere Wechselstrom-Störungen verursacht werden, erheblich. Ihre hohe Überstromfestigkeit bietet ein verbessertes Maß an Spannungsbegrenzung bei schnell ansteigenden Ereignissen, während sie gleichzeitig eine kompakte Größe beibehalten.

Diese Hochspannungs-Gasentladungsröhren mit zwei Elektroden bieten einen hohen Isolationswiderstand und sind in einem DC-Funkenübergangsspannungsbereich von 1 kV bis 3,3 kV mit einem Stoßstrom von 5 Kiloampere (kA) erhältlich. Im Gegensatz zu den dramatischen Funkenstrecken, die man in Filmen sieht, sind diese GDTs vollständig gekapselte Bauelemente, und alle Familienmitglieder sind in einem 8 × 6 Millimeter (mm) großen, axial geführten zylindrischen Gehäuse mit einer Kapazität von unter 1,5 pF untergebracht (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Schaltsymbol einer Zweielektroden-GDT (links) stellt die kleinen, zylindrisch Komponenten der Serie GDT28H dar. (Bildquelle: Bourns Inc.)

Zu den anvisierten Anwendungen gehören Stromversorgungen, Beleuchtungen, HLK und Produkte, die der Norm IEC 62368-1:2018 entsprechen müssen. Diese weit verbreitete Sicherheitsnorm gilt für elektrische und elektronische Geräte der Audio-, Video-, Informations- und Kommunikationstechnik sowie für Geschäfts- und Büromaschinen mit einer Nennspannung unter 600 Volt.

Die UL-zugelassene Serie GDT28H ist besonders für den Einsatz bei der AC-Isolation geeignet. Diese Performance wird durch den erweiterten Betriebsspannungsbereich, den hohen Isolationswiderstand und den erhöhten Überspannungsschutz erreicht. Darüber hinaus bietet die GDT28H-Serie einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C, wodurch sie sich gut für Anwendungen in rauen Umgebungen eignet.

Ein Mitglied der Familie ist die GDT28H-200-A, eine GDT für 2000 ±400 Volt. Wie alle Mitglieder dieser Familie verfügt sie über einen Impulsentladungsnennwert von 5 kA für 8/20 Mikrosekunden (µs). Die Impulsüberschlagsspannung beträgt 2500 Volt (maximal) bei 100 Volt/µs und 2750 Volt bei 1 kV/µs.

Zur Evaluierung dieser GDTs bietet Bourns das Entwicklungskit DK-GDT28H-01 an. Dieses Kit enthält 20 GDTs aus der Serie bestehend aus jeweils 5 Komponenten aus 4 Bauteilsorten mit typischen Überschlagsspannungen von 1000, 1500, 2500 und 3300 Volt DC.

Die GDT-Funktion ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie ein grundlegendes physikalisches Prinzip in unterschiedlichen und widersprüchlichen Anwendungen genutzt wird. Während GDTs vollständig gekapselt sind und dazu dienen, eine Überspannung gegen Erde zu bändigen, nutzt die Zündkerze eines Verbrennungsmotors einen freiliegenden Überschlag, um das Benzin-Luft-Gemisch im Motor zu entzünden.

Hier ist der Unterschied: Beim GDT-Betrieb entstehen die Funken durch unvorhersehbare Überspannungsereignisse, aber bei der Zündkerzenfunktion werden die Funken absichtlich mit einem präzisen Timing ausgelöst.

Fazit

Der Schutz der Komponenten eines Stromkreises gegen Überspannung und Überstrom ist ein wesentlicher Bestandteil des Systemdesigns. GDTs leiten Transienten schnell zur Erde ab und verhindern so, dass übermäßige Spannungen nachgeschaltete Komponenten erreichen, beschädigen oder zerstören. Bourns erhöht den Nutzen dieser Bauteile, indem es sie so entwickelt hat, dass sie einen breiten Bereich von Überspannungswerten und damit verbundenen Stoßströmen in einem winzigen, zylindrischen Gehäuse bewältigen können, das alle relevanten gesetzlichen Normen erfüllt.

Verwandte Inhalte

1: IEC 62368-1 ist auf dem Weg - Die neue Sicherheitsnorm für IKT- und AV-Ausrüstung

https://www.digikey.de/de/articles/iec-62368-1-is-on-its-way-the-new-safety-standard-ict-av-equipment

2: Die richtige Stromversorgung ist entscheidend für die Erfüllung der neuen Vorschrift IEC/UL IEC-62368 zur Sicherheit von Verbraucherprodukten

https://www.digikey.de/de/articles/the-right-power-supply-to-meet-the-new-iec-ul-iec-62368-safety-mandate

3: Auswahl und Anwendung von IsoMOVs für maximale Überspannungsunterdrückung bei minimalem Platzbedarf

https://www.digikey.de/de/articles/how-to-select-and-apply-isomovs-for-maximum-voltage-surge-suppression-with-minimal-space

4: Anwendung hybrider AC-Überspannungsschutzkomponenten für verbesserten Überspannungsschutz

https://www.digikey.de/de/articles/how-to-apply-hybrid-ac-surge-protection-devices-for-improved-surge-protection