CUI: Grundwissen zum Thema Überspannungsschutz bei Netzteilen

In diesem Artikel wird Grundwissen zum Thema Überspannungsschutz vermittelt, indem die Ursachen von Überspannungen erläutert, die gesetzlichen Normen für Überspannungsprüfungen vorgestellt und Konzepte zur Unterdrückung von Überspannungen aufgezeigt werden.

Überspannungen sind bei vielen Geräten, die mit Netzstrom betrieben werden, ein Problem. Überspannungen können Netzteile und die von ihnen versorgten Geräte beschädigen, wenn sie nicht richtig für die vorgesehene Umgebung konzipiert sind.

Wodurch werden Überspannungen verursacht?
Die drei Hauptursachen für Überspannungen sind:

• Blitzschlag
• Lastschwankungen
• Störungen

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

Überspannungen in der Wechselstromversorgungsleitung können auch durch das Ein- und Ausschalten anderer Geräte in einem Stromkreis verursacht werden. Große und schnelle Stromänderungen in den Leitungen können Spannungsspitzen hervorrufen.

Auch Störungen können die Ursache von Überspannungen sein und dazu führen, dass am Netzteileingang zu hohe Spannungen induziert werden. Der Ausfall von Systemkomponenten und Geräten kann zu Spannungs- und Stromschwankungen in anderen Teilen des Systems führen, die durch unbeabsichtigtes Kurzschließen oder Öffnen von Stromkreisen verursacht werden.

Die Intensität und Höhe der Überspannung am Netzteileingang hängt dabei von vielen Faktoren ab, wie z. B. dem Standort, den Leitungen und dem Grad des Überspannungsschutzes, der am Netzteileingang vorgeschaltet ist, ob nun intern oder extern.

Internationale Normen legen Schutzstufen fest
Es wurden Normen zur Klassifizierung und Festlegung der erforderlichen Schutzstufe entwickelt. Die gängigste Norm für Netzteile ist die IEC 61000-4-5 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission. Auf sie wird in vielen nationalen Störfestigkeitsnormen verwiesen, wie z. B. in der EN 55035, die Störfestigkeitsanforderungen für Multimedia-Geräte festlegt.

Die Norm IEC 61000-4-5 definiert ein standardisiertes Prüfverfahren und verschiedene Schutzstufen anhand von Installationsklassen und Kopplungsmethoden. Gleichstrom-Netzteile fallen in der Regel in die Installationsklassen 3–5, für die Prüfanforderungen von 1 kV bis 4 kV gelten (Tabelle 1).



Tabelle 1: IEC 61000-4-5 Überspannungsprüfspannung für an das Stromnetz angeschlossene Wechselstrom- und Gleichstrom-Netzteile

Schaltungen und Geräte zur Unterdrückung von Überspannungen
Um Netzteile und ihre Verbraucher vor Überspannungen zu schützen, ist in der Regel eine interne oder externe Überspannungsschutzschaltung erforderlich.

Es gibt zwei Hauptklassen von Überspannungsschutzschaltungen:

• Klemmschaltungen
• Kurzschließer
• Überspannungsklemmschaltungen

Spannungsklemmen verhindern, dass die Spannung die gewählte Klemmspannung überschreitet. Während des Überspannungsereignisses wird die Spannung auf der Klemmspannung gehalten und der Strom wird durch die Klemme abgeleitet, bis die Überspannung vorüber ist. Es gibt drei Geräte, die üblicherweise als Klemmschaltungen verwendet werden: Supressordioden (TVS), Metalloxid-Varistoren (MOV) und Gasableiter (GDT). Wie in Tabelle 2 gezeigt, sind die Reaktionsgeschwindigkeit und Energieaufnahmefähigkeit der einzelnen Geräte umgekehrt proportional zueinander, was dazu führen kann, dass man verschiedene Arten von Klemmschaltungen kombinieren muss.

Supressordioden
Supressordioden (TVS) sind Dioden, die dazu bestimmt sind, die überschüssige Energie einer Spannungsspitze zu absorbieren und sie so abzufangen. Sie können entweder unidirektional oder bidirektional sein. Diese Dioden haben wie eine Zener-Diode eine Durchbruchspannung, oberhalb derer die Diode zu leiten beginnt. Dadurch wird die Spannung bei Erreichen der Durchbruchspannung begrenzt und die überschüssige Energie vom Netzteil abgeleitet.



Tabelle 2: Typische Komponenten und Eigenschaften von Überspannungsklemmschaltungen

Varistor-Klemmschaltungen
Der bidirektionale Halbleiter-Metalloxidvaristor (MOV) ist ein spannungsempfindlicher variabler Widerstand. MOV haben einen hohen Widerstand bei niedriger Spannung und einen niedrigen Widerstand bei hoher Spannung. Damit liefern MOV eine weichere Klemmspannung und verfügen über eine langsamere Reaktionszeit als TVS. MOV verschleißen allerdings und können nur eine begrenzte Anzahl von Überspannungsereignissen bewältigen. Aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer hohen Überspannungs-Energieaufnahmefähigkeit werden sie dennoch häufig für den Überspannungsschutz in Netzteilen eingesetzt.

Kurzschließerschaltungen
Der Kurzschließer ist eine andere Art von Überspannungsschutzschaltung. Kurzschließer begrenzen die Spannung nicht auf einen Maximalwert, sondern schließen die Stromkreisknoten kurz, sodass die Spannung gegen Null geht. Gasableiter (GDT) werden üblicherweise als Kurzschließer verwendet. GDT wirken, ähnlich wie TVS, als spannungsabhängiger Schalter. Dieses Gerät verhält sich normalerweise wie ein offener Stromkreis und ein Kurzschluss, wenn seine Spannungsschwelle überschritten wird. GDT haben zwar eine höhere Energieaufnahmefähigkeit, sind aber auch das am langsamsten reagierende Überspannungsschutzgerät. In Netzteilen werden sie manchmal in Verbindung mit anderen Verfahren eingesetzt, um eine robustere Lösung zu erhalten.

Überspannungsfestigkeit in Standard-Netzteilen
Handelsübliche Netzteile können über einen internen Überspannungsschutz verfügen, müssen es aber nicht notwendigerweise. Netzteile für die Leiterplattenmontage bieten eine Reihe von Optionen, die von gar keinem internen Schutz bis zur maximalen Schutzstufe reichen. Oftmals stellen die Hersteller Referenzschaltpläne zur Verfügung, um den konstruktionsbedingten Leistungsgrad zu verbessern. Dabei muss der Konstrukteur auf das Datenblatt achten, um festzustellen, ob die externe Schaltung des Herstellers den entsprechenden Leistungsgrad für die Anwendung erfüllt.

Fazit
Es liegt in der Natur von Überspannungen, dass jedes Überspannungsereignis völlig unvorhersehbar ist. Dennoch ist es möglich, ein System zu bewerten und vorauszusehen, welchen Arten von Überspannungen es ausgesetzt sein könnte, und einen angemessenen Umfang des Überspannungsschutzes zu empfehlen. Die angemessene Schutzstufe kann allerdings variieren. Bei einigen Systemen kann man davon ausgehen, dass sie häufig auftretenden und relativ leicht zu handhabenden Überspannungen ausgesetzt sind. 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 zu sehr vielen Blitzeinschlägen kommt. In diesem Fall wäre ein entsprechender Schutz gegen stärkere Spannungsspitzen zu empfehlen. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es viele verschiedene Szenarien, und genau dabei können Experten wie CUI helfen, das richtige Netzteil für Ihre Anwendung auszuwählen.

www.cui.com

  Fordern Sie weitere Informationen an…