Unverzichtbarer Schutz

Anwendungen für Smart Buildings und Smart Homes wie intelligente Thermostate, Zugangskontrollsysteme und Einbruchmeldeanlagen werden im Gebäudemanagement zunehmend zum Standard. Unter diesen Anwendungen sind Brandmeldeanlagen von besonderer Bedeutung, da sie Menschenleben und Sachwerte schützen. TDK bietet eine Reihe von Bauelementen an, die für die Zuverlässigkeit von Brandmeldeanlagen von entscheidender Bedeutung sind. Besonders wichtig sind dabei Lösungen für den Überspannungsschutz.

Bürogebäude, Hotels, Flughäfen und Einkaufszentren, also Gebäude, die für eine große Anzahl von Personen ausgelegt sind, müssen mit automatischen Brandmeldeanlagen ausgestattet sein. Diese komplexen Systeme umfassen Sensoren, Aktuatoren, Stromversorgungseinheiten und Systeme zur Datenübertragung. In der Regel ist jeder Brandmelder an ein Netzwerk angeschlossen und über dieses mit einer Steuerzentrale verbunden. Je nach Bauweise und Grundriss des Gebäudes kommen Ring- oder Stern-Netzwerktopologien zum Einsatz. In regelmäßigen Abständen überprüft die Steuerzentrale die installierten Geräte. Löst ein Melder aus, initiiert die Steuerzentrale die erforderlichen Maßnahmen. Dazu gehören akustische und optische Alarme, das Schließen von Brandschutztüren sowie die Benachrichtigung der Feuerwehr über ein kabelgebundenes oder kabelloses Netzwerk.

Brandmeldeanlagen beispielsweise werden über 24-Volt-Stromversorgungseinheiten betrieben. Damit diese Anlagen auch bei längeren Stromausfällen funktionsfähig bleiben, wird die 24-Volt-Stromversorgungseinheit mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) kombiniert. Neben Brandmeldern muss das System auch Bewegungsmelder und Glasbruchsensoren umfassen. Abbildung 1 veranschaulicht den grundlegenden Aufbau einer Brandmeldeanlage.

Abbildung 1:

Aufbau einer Brandmeldeanlage in Doppelring-Topologie für die Brandmelder. Die akustischen Signalgeber (Sirenen) arbeiten in Stern-Topologie.

Je nach Anforderung nutzen Brandmelder unterschiedliche Sensortechnologien:

• Optische Sensoren erkennen Rauch
• Temperatursensoren erkennen Temperaturanstiege
• Gassensoren erkennen CO und CO₂

Abbildung 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Brandmelders, der mit optischen Sensoren ausgestattet ist.
 

Abbildung 2:

Die Spannungen für den Mikrocontroller (3,3 V) sowie für den Infrarot-Sender und -Empfänger (10 V) werden intern aus der Versorgungsspannung (24 V) erzeugt.

Hohe Anforderungen an den Überspannungsschutz

Aufgrund ihrer Komplexität sind Feuermeldeanlagen anfällig für verschiedene Arten von Überspannungen. Diese können sowohl auf Daten- als auch auf Stromversorgungskabeln auftreten. Lange Kabel bieten zahlreiche mögliche Eintrittsstellen für Überspannungen, wodurch sich das Problem noch verschärft. Abbildung 3 gibt einen Überblick über die verschiedenen Arten von Überspannungen.

Abbildung 3:

Überspannungen unterscheiden sich je nach Spannung, Dauer und Ursache. Folglich variieren auch die Wellenformen und die Normen, nach denen sie bewertet werden.

 

ESD (elektrostatische Entladung)	IIEC 61000-4-2
Stromstoß, Blitz	IEC 61000-4-5
Burst, schnelle elektrische Transienten	IEC 61000-4-4
Schalten induktiver Lasten	ISO 7637-2
temporäre Überspannung	kein Standard

 

TDK bietet Varistoren an, die für alle Arten von Übergangsspannungen geeignet sind. Es gibt zwei Typen: monolithische Varistoren und Vielschichtvaristoren.

Monolithische Varistoren sind für hohe Spannungen und Ströme ausgelegt und werden daher an den Netzanschlüssen von Stromversorgungseinheiten eingesetzt. Aufgrund der integrierten Sicherung eignen sich TDKs ThermoFuse-Varistoren der Serien T14 und T20, neben klassischen Scheibenvaristoren, besonders gut für sicherheitsrelevante Anwendungen (Abbildung 4). Diese Bauelemente sind für Nennspannungen zwischen 130 V und 1000 V ausgelegt und weisen eine Stoßstrombelastbarkeit von bis zu 10.000 A (8/20 µs) auf.

Wenn der Varistor überhitzt, löst die integrierte Sicherung aus und trennt ihn vom Netz. So werden Feuer auf der Leiterplatte (PCB) oder Schäden an benachbarten Bauelementen verhindert. Sicherung und Varistor sind gemeinsam in einem Kunststoffgehäuse untergebracht, das aus einem flammhemmenden Material besteht – ähnlich der Beschichtung eines Varistors.

Die Bauelemente verfügen über drei Anschlüsse. Zwei davon dienen dem Stromanschluss, einer der Überwachung. Über eine LED lässt sich beispielsweise der Status des Bauelements anzeigen. Diese Varistoren lassen sich über eine Steckplatine installieren, was den Austausch vereinfacht.

Abbildung 4:

Varistoren der ThermoFuse-Serie schützen sich selbst vor Überhitzung. Über einen Monitorausgang kann der Status des Bauelements überwacht werden.

Vielschichtvaristoren (Multilayer Varistors, MLVs) schützen die Versorgungsleitung von Brandmeldeanlagen sowie die Brandmelder selbst vor Überspannungen gemäß IEC 61000-4-5. Dank ihrer Vielschichttechnologie können diese Bauelemente je nach Anforderung mit unterschiedlichen Nennspannungen hergestellt werden. Die oberflächenmontierbaren Bauelemente sind in Gehäusegrößen von 0805 bis 2220 erhältlich und eignen sich für Stoßströme von bis zu 6000 A bei 4 kV mit einem 8/20-µs-Impuls oder bis zu 2000 A mit einem 10/700-µs-Impuls. Sie können Energien von bis zu 15 J aufnehmen. Darüber hinaus können diese Bauelemente für den ESD-Schutz gemäß IEC 61000-4-2 Stufe 4 eingesetzt werden und bieten eine hohe Zuverlässigkeit beim Schutz bis zu 30 kV.

Im Gegensatz zu anderen Schutz-Bauelementen wie beispielsweise TVS-Dioden unterliegen die MLVs von TDK bis zu einer Temperatur von +150 °C keinem Derating.

Die entsprechenden Typen der MLV-Serie haben eine Zulassung gemäß UL 1449 (Datei-ID E481997), wie sie von Herstellern von Sicherheitssystemen für bestimmte Bauelemente gefordert wird.
 

Ein Varistor für jede Spannungsebene

Brandmelder mit optischen Sensoren benötigen zusätzliche interne Spannungsniveaus. So erfordern der Infrarot-Sender und -Empfänger 10 V und der Mikrocontroller 3,3 V. Abbildung 5 zeigt einen möglichen Schaltplan hierfür.

Abbildung 5:

Erzeugung verschiedener Spannungsebenen in einem Brandmelder mithilfe einer diskreten Lösung für 10 V und eines LDO (Low-Dropout-Regler) für 3,3 V. In diesem Aufbau kommen vier Varistoren zum Überspannungsschutz zum Einsatz.

Um zu verhindern, dass Überspannungen eingespeist werden, muss die vom 24-Volt-Gleichstrom-Bus gespeiste Eingangsleitung durch einen Varistor (MLV1) geschützt werden. Hierfür eignet sich die Serie CT2220K30G von TDK. Diese SMD-Vielschichtvaristor-Serie hat eine maximale Gleichspannung von 30 V und ist für einen Stoßstrom von 1200 A (8/20-µs-Impuls) ausgelegt. Das Bauelement sollte so nah wie möglich an den Anschlussklemmen platziert werden. Um hochfrequente Störungen zu unterdrücken, kann ein Kondensator, beispielsweise ein MLCC von TDK, parallelgeschaltet werden. Je nach Busspannung oder Anforderungen an die Stoßspannung eignen sich viele andere Vielschichtvaristoren von TDK für den Einsatz am Eingang.

Die aus Q1, R1 und D1 bestehende Schaltung dient als Spannungsregler für den 10-Volt-Ausgang. Um die Sicherheit zu erhöhen, ist parallel zur Zener-Diode (D1) ein Varistor vom Typ TDK CT0402S11ACCG angeschlossen. Dieser verhindert, dass die Spannung an der Basis von Q1 zu hoch wird, falls die Diode ausfällt. Ein zusätzlicher Varistor (MLV3) schützt den stabilisierten 10-Volt-Ausgang. Die Keramikkondensatoren C2 und C3 stabilisieren die Spannung und unterdrücken Rauschen. Die über den LDO erzeugte Versorgungsspannung des Mikrocontrollers wird durch einen Varistor vom Typ CDS2C05GTA (MLV4) geschützt.

Eckdaten der MLV-Überspannungsschutzserie

VRMS [V]:	30 - 115
VDC [V]	38 - 115
Isurge (8/20 µs) [A]	80 - 6000
Wmax [J]	0,3 - 15
Baugröße (EIA)	0805 - 2220

 

Neben den Stromversorgungsleitungen müssen auch die Datenkabel geschützt werden, da ESD-Ereignisse insbesondere Schnittstellen beschädigen können. Mit seiner MLV-High-Speed-Serie bietet TDK hierfür einen wirksamen Schutz. Dank ihrer geringen Eigenkapazität von bis zu 0,6 pF (je nach Typ) beeinträchtigen die Produkte die Signalintegrität nicht. Neben den herkömmlichen Ein-Chip-Typen sind auch Arrays für bis zu vier Datenleitungen erhältlich. Ein weiteres technisches Highlight des Produkts ist die extrem kurze Ansprechzeit von maximal 0,5 ns.

Kurzschlussfest dank PTC-Thermistoren

Da alle Brandmelder parallel an den Versorgungsbus angeschlossen sind, würde ein einziger Kurzschluss die gesamte Leitung lahmlegen. Um dies zu verhindern, muss jeder Melder über eine eigene Sicherung verfügen. Dafür eignen sich PTC-Thermistoren, da sie als selbstrückstellende Sicherungen fungieren. Sie arbeiten nach folgendem Prinzip: Normalerweise ist der Thermistor kalt (Raumtemperatur) und hat einen geringen Widerstand. Fließt jedoch ein Strom, der deutlich über dem spezifizierten Maximum liegt – beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses –, erwärmt sich der PTC und wird schlagartig hochohmig. Dadurch wird der Strom auf ein ungefährliches Maß begrenzt. Sobald das Problem behoben ist, kühlt der Thermistor ab und wird wieder niederohmig. Der B59873C0120A570 von TDK ist für einen Laststrom von bis zu 90 mA bei +25 °C ausgelegt und wird daher in Brandmeldern eingesetzt.

Umfangreiches Sortiment an Bauelementen für Brandmeldeanlagen

Neben Lösungen für den Überspannungsschutz bietet TDK eine breite Palette weiterer Bauelemente an, die für den Einsatz in Brandmeldeanlagen geeignet sind. Dazu gehören Induktivitäten sowie Keramik-Kondensatoren, Folien-Kondensatoren und Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren, aber auch NTC-Thermistoren. NTCs lassen sich zum Bau von Brandmeldern auf Basis der Wärmemessung verwenden.