Stromkreisschutz bei AC-Netzanwendungen

Integriertes Bauelement schützt vor Beschädigungen durch Überstrom, Überspannung und elektrostatische Entladungen

Thermisch geschützte Metalloxidvaristoren bieten Niederleistungssystemen zuverlässigen Schutz vor Beschädigungen durch Überstrom, Übertemperatur und Überspannung. Dieser Schutz schließt sowohl Blitzschläge, elektrostatische Entladungen und Spannungsstöße als auch eine Unterbrechung des Neutralleiters, falsche Eingangsspannungen und Leistungsinduktion ein. * Philippe Di Fulvio

Ein Blitzschlag, die Umschaltung einer induktiven Last oder eines Kondensators können eine transiente Überspannung in Geräten auslösen, die von einem AC-Netz angetrieben werden. Deshalb werden zum Beispiel in elektrischen Küchen- und Haushaltsgeräten transiente Überspannungen normalerweise mit Metalloxidvaristoren (MOVs) unterdrückt. In diesen Anwendungen besteht allerdings auch ein Potenzial für länger anhaltende abnormale Überspannungen bei begrenzter Stromaufnahme, die im MOV einen „Thermal Runaway“ (Temperaturdrift) auslösen, die ihrerseits dann zu Überhitzung, Ausgasung und möglicherweise sogar zu einem Brand führen kann.

Überstromzustände und Temperaturdrift vermeiden

Unter normalen Betriebsbedingungen rechnet man nicht damit, dass die AC-Netzspannung am MOV den zulässigen quadratischen Mittelwert der AC-Spannung (V _ACRMS ) übersteigt. Darüber hinaus werden – solange die transiente Energie den für den MOV zugelassenen Höchstnennwert nicht übersteigt – kurzzeitige transiente Erscheinungen auf erträgliche Spannungen geklemmt. Eine länger anhaltende abnormale Überspannung oder Strombegrenzung, wie sie z.B. bei der Unterbrechung des Neutralleiters auftritt, kann allerdings dazu führen, dass im MOV ein eine Temperaturdrift entsteht.

Der Schutz des MOVs vor thermischer Überhitzung wird oft durch den Einsatz eines thermischen Abschaltgeräts bewerkstelligt, das seriell mit dem MOV verbunden wird. Ein typischer Schutz gegen Netzspannungstransienten kann damit ein thermisches Schutzelement (etwa eine Sicherung) beinhalten, die das System vor Beschädigungen durch Überstrom schützt, der eine vorbestimmte Grenze überschritten hat. Mit einem von Tyco Electronics entwickelten integrierten Bauelement können Hersteller die Testanforderungen der Industrie erfüllen, die Bauelementezahl zu vermindern und die Zuverlässigkeit der Geräte zu erhöhen. Ein PPTC-Überstromschutzelement (positiver Temperaturkoeffizient aus Polymer) wurde mit einer MOV-Komponente zum thermisch geschützten 2-Pro-Bauelement kombiniert, das einen rücksetzbaren Überstromschutz und bei Überspannungen Voltage-Clamping bietet. Herkömmliche, ungeschützte MOVs weisen normalerweise eine Höchstnennspannung von 275 V _ACRMS für den gesamten Eingangsspannungsbereich auf. Falls der Neutralleiter unterbrochen wird, können diese MOVs trotz Sicherung oder Leistungswiderstand im Stromkreis überhitzt werden, was zu den bekannten negativen Folgen führt. Im ungünstigsten Fall kann sich die Spannung nach Verlust des Neutralleiters von 230 auf bis 400 V _AC erhöhen. Bei solchen Bedingungen – ohne Strombegrenzung – entwickelt der MOV zuerst eine niedrige Impedanz von einigen Ohm, durch die hohe Energie wird er aber wahrscheinlich zerstört. Wenn andere Elemente zur Strombegrenzung in die AC-Rückleitung eingebaut sind, können sie durch den Ausfall des MOV auch überhitzt werden. Abbildung 1 zeigt die Auswirkung eines solchen abnormalen Überspannungszustands auf die drei Bauelemente

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Raychem LVM2P-015R10431 (2-Pro-Bauelement),
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Einfacher MOV (Metalloxid-Varistor 10 mm, 275 V RMS – ROV10-431K)
, ▶
MOV/4 W-Leistungswiderstand
10Ω
)
.

Das PPTC-Element im 2-Pro-Bauteil hilft, die thermische Drift zu vermeiden, indem es die Oberflächentemperatur des Varistors auf weniger als 150 °C begrenzt und verhindert, dass das Bauelement durch die transienten Überspannungen unsichere Temperaturen erreicht. Durch diese Lösung können Hersteller die Anforderungen nach IEC 60950 und IEC 60335 erfüllen. Das Gerät bleibt auch nach den Blitzschlagtests gemäß IEC 61000-4-5 (Abbildung 2) funktionsfähig. Da das PPTC-Element seriell mit dem MOV verbunden ist, wird kein weiterer Überstromschutz benötigt, wodurch sich die Zahl der Bauelemente verringern und der Platz auf der Platine optimieren lässt.

Auch wenn im Allgemeinen nicht damit gerechnet wird, dass die AC-Netzspannung an einem MOV die höchste Nennbetriebsspannung des Bauelements überschreitet, liegen solche transienten Überspannungen doch im Bereich des Möglichen. Durch die Integration der PPTC-Technik in den MOV bietet das 2-Pro-Bauelement sowohl einen verbesserten Überstromschutz als auch thermischen Schutz für den Fall, dass der MOV dauerhaft erhöhten Überspannungen ausgesetzt ist. Im Falle einer transienten Überspannung, z.B. bei Unterbrechung des Neutralleiters, erhitzt sich das PPTC-Element des 2-Pro-Bauelements, löst aus und vermindert damit das Ausfallsrisiko des MOV-Bauelements. Bei den in den Testszenarios verwendeten Bauelementen LVM2P-015R10431 handelt es sich um radial verdrahtete 10-mm-Elemente mit drei Leitungen. Der erste Leiter ist an das PPTC-Element, der zweite Leiter an die serielle MOV/PPTC-Verbindung angeschlossen (und bildet damit eine Leitung zur Masse). Der dritte Leiter ist mit dem MOV verbunden.

Koordinierter Stromkreisschutz für Telefonie- und VoIP-Anwendungen

Der thermisch geschützte MOV ist als Überstrom- und Überspannungsschutz auch in ein vielen Telefonie- und VoIP-Anwendungen einsetzbar. Das schließt schnurlose Telefone, VoIP-Gateways, Datenmodems, Set-Top-Boxen, Sicherheitssysteme, MDF-Module, analoge Linecards und ISDN-Linecards mit ein. Die verbreitete Adaption von VoIP-Gateways in Wohnungen und Unternehmen hat zu höheren Sicherheitsanforderungen an CPE-Anwendungen (Customer Premises Equipment) geführt. Das 2-Pro-Bauelement ermöglicht es den Herstellern, die Anforderungen von UL 60950 zu erfüllen. Damit bleiben die Einrichtungen in der Regel auch nach Blitzschlag funktionsfähig. Mit diesen Bauelementen entsprechen die Einrichtungen auch den Anforderungen der Spannungsstoßtests nach TIA-968-A, IEC 60950 und ITU-T K.20/K.21. Das in UL 497A gelistete Schutzelement bietet auch ESD-Schutz.

Schlussbemerkung

Der koordinierte Stromkreisschutz gibt nicht nur Sicherheit bei Überströmen oder Überspannungen. Er sorgt auch dafür, die Zahl der Bauelemente und damit den Platzbedarf auf den Platinen zu verringern und die Zuverlässigkeit der Geräte zu erhöhen. Die rücksetzbare Funktion der thermisch geschützten MOVs hilft den Herstellern, indem sie zukünftig die Anzahl von Garantiefällen und Verbraucherbeschwerden nach Überstrom- und Überspannungsereignissen reduziert.

Neben dem Einsatz in Küchen- und Haushaltsgeräten bieten diese Einrichtungen sicheren Schutz bei zahlreichen AC-Netzanwendungen. Dazu zählen z.B. Beleuchtungssysteme mit AC-Netzspannungs-LEDs, PLC-Netzwerkadapter, Handy-Ladegeräte, AC/DC-Netzgeräte (bis zu 30 VA Eingangsleistung für 230 VAC Eingangsspannung), Modem-Netzgeräte, AC-Schutzmodule und AC-Leistungsmessgeräte.

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