Kompakter und robuster Überspannungsschutz

Überspannungen und daraus resultierende hohe Stoßströme können elektrische und elektronische Geräte beschädigen oder zerstören. Ein zuverlässiger Überspannungsschutz ist daher unerlässlich. TDK hat unter Verwendung eines neuen Keramikmaterials eine Serie von Vielschichtvaristoren mit hoher Stoßstrom-Belastbarkeit entwickelt. Diese verbinden kompakte Abmessungen mit herausragender Leistungsfähigkeit. 

Überspannungen können aus verschiedenen Quellen stammen, unterschiedliche Energiepegel aufweisen und auf verschiedenen Wegen in Systeme gelangen. In jedem Fall beeinflussen sie elektrische Geräte. 

ESD-Impulse gemäß IEC 61000-4-2 wirken sich beispielsweise vor allem auf die Ein- und Ausgänge von Kommunikationsgeräten aus. Diese werden entweder mit einer Spannung von 8 kV bei Kontaktentladung oder mit 15 kV bei Luftentladung getestet. Die zugehörigen Impulsformen zeichnen sich durch eine extrem steile Flanke mit Anstiegszeiten im Nanosekundenbereich aus. Allerdings beträgt die Energie dieser Impulse nur wenige Millijoule, also relativ wenig. Zum Schutz vor ESD-Ereignissen bietet TDK ein breites Sortiment an Vielschichtvaristoren (MLVs) in SMD-Gehäusen für verschiedene Nennspannungen an. Die kleinste Ausführung hat eine Grundfläche von nur 0,4 x 0,2 mm² bei einer Höhe von lediglich 0,1 mm. Aufgrund ihrer geringen Größe werden diese Varistoren häufig in kompakten mobilen Anwendungen wie Smartphones, Tablets und Wearables eingesetzt. 

Eine weitere Form der Überspannung gelangt vor allem über die Stromversorgungsleitungen in das System. Ursachen hierfür können Blitzeinschläge in der Nähe oder Lastabwürfe sein. Diese Ereignisse können Stoßströme von mehreren Kiloampere auslösen, die nur Mikrosekunden andauern. Im schlimmsten Fall kann die Energie dieser Impulse mehrere tausend Joule betragen, also ein Vielfaches der Energie, die bei ESD-Ereignissen auftritt. Die Widerstandsfähigkeit von Bauelementen gegenüber diesen hochenergetischen Impulsen wird nach IEC 61000-4-5 bestimmt. Dabei kommen ein 8/20-μs-Impuls für den Kurzschlussstrom und ein 1,2/50-μs-Impuls für die Leerlaufspannung zum Einsatz (Abb. 1 und 2). 

Impulsformen nach IEC 61000-4-5

Abbildung 1:

Messung des Kurzschlussstroms (8/20 μs)

Abbildung 2:

Messung der Leerlaufspannung 1.2/50 μs

Um wirksam vor solchen Ereignissen zu schützen, müssen Schutzbauelemente so ausgelegt sein, dass sie die zu erwartenden Ableitströme und die entsprechenden Energiepegel aufnehmen können. Aus diesem Grund sind konventionelle Varistoren meist relativ groß. 

Neues Keramikmaterial ermöglicht kompaktere Designs

Um Vielschichtvaristoren leistungsfähiger und kompakter zu gestalten, hat TDK ein neues Keramikmaterial für seine neue Serie mit hoher Stoßspannungsfestigkeit entwickelt. Dazu sind die ZnO-Varistoren mit einem speziellen Metalloxid stärker dotiert, wodurch das neue Keramikmaterial verbesserte Eigenschaften und eine feinere Korngröße aufweist. Dadurch ergeben sich deutlich mehr Korngrenzen pro Volumeneinheit. Damit lässt sich die Stromdichte bei gleichem aktivem Volumen des Bauelements mehr als verdreifachen. Gleichzeitig steigt die Dielektrizitätszahl um ein Vielfaches, sodass die elektrische Feldstärke (EV) deutlich höher ausfällt – ebenfalls bei gleichem Volumen (Abb. 3).

Abbildung 3:

Vergleich von herkömmlicher und neuer Keramik

Dank feinerer Kornstruktur mittels einer speziellen Metalloxiddotierung der ZnO Varistorkeramik kann eine höhere Feldstärke in den neuen EPCOS Vielschichtvaristoren der High-Surge-Serie erzielt werden. Dies ermöglicht zum einen, dass eine höhere Anzahl von Innenelektroden im identischen Bauteilvolumen integriert werden können und damit die High-Surge-Performance verbessert wird. Zum anderen, kann die identische Performance in einer kleineren Bauform realisiert werden, wodurch eine weitere Miniaturisierung der Varistoren möglich ist.

Aufgrund ihrer verbesserten elektrischen Charakteristika können Varistoren durch mehr Innenelektroden eine höhere Spannungsklasse erreichen. Dadurch kann das Bauelement einen erheblich höheren Stoßstrom bewältigen oder bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit kann das Bauelement kleiner werden. Beispielsweise gibt es Standard-Varistoren, die Stoßströme von 1200 A (8/20 μs) in der Gehäusegröße EIA 2220 aufnehmen können, während TDK mit der neuen Keramik die gleiche Leistung im Formfaktor 1210 erreicht hat. Damit reduziert sich das Volumen auf weniger als ein Drittel. Die neuen Varistoren kommen daher vor allem in IoT- und Industrie-4.0-Anwendungen zum Einsatz, in denen Miniaturisierung wichtig ist. 

Niedrigere Klemmspannung, höhere Performance

Aufgrund der höheren zulässigen Feldstärke des neuen Keramikmaterials und der höheren Anzahl von Innenelektroden konnte TDK die Klemmspannung der Bauelemente senken. Als Klemmspannung versteht man den Wert, bei dem der Varistor zu leiten beginnt. Bei gegebenem Strompegel erhöht sich mit steigender Klemmspannung die elektrische Verlustleistung (P = U ∙ I) und letztlich die Wärmeabgabe (E = P ∙ t) im Varistor. Umgekehrt gilt: Niedrigere Sperrspannungen lassen bei gleicher Energieaufnahmefähigkeit höhere Ströme zu. 

Der Vielschichtvaristor CT2220K50E2G aus der bisherigen Überspannungsschutzserie von TDK beispielsweise ist mit einer Klemmspannung von 135 V bei 10 A spezifiziert. Im Gegensatz dazu kann der neue Typ CT2220S50E3G mit hohem Stoßstrom, niedriger Klemmspannung und verbessertem Material bei derselben Klemmspannung einen Stoßstrom von 400 A bewältigen (Abb. 4). Folglich schützt der neue Typ deutlich besser. 

Abbildung 4:

Höherer Stoßstrom bei gleicher Klemmspannung

Der neue EPCOS High-Surge-Low-Clamp-Typ erlaubt bei einer Klemmspannung von 135 V einen Stoßstrom von 400 A.

Weniger Bauelemente, besserer Schutz 

Damit SMD-Vielschichtvaristoren möglichst hohe Stoßströme absorbieren können, schaltet man häufig mehrere Bauelemente parallel. Da Varistoren jedoch Toleranzen von bis zu ±20 Prozent bei der Klemmspannung aufweisen, müssen die Bauelemente für solche Anwendungen präzise aufeinander abgestimmt werden. Das ist mit erheblichen Mehrkosten verbunden. Ein weiterer Nachteil ist, dass die elektrischen Eigenschaften der einzelnen Bauelemente selbst bei engen Toleranzen leicht voneinander abweichen. Folglich verteilt sich der Strom bei einer Überspannung ungleichmäßig auf die Bauelemente, sodass der am stärksten belastete Varistor ausfallen kann.

Mithilfe des neuen Keramikmaterials von TDK kann ein einzelner Varistor nun bereits hohe Stoßströme aufnehmen. Das erhöht die Zuverlässigkeit, reduziert die Zahl der Bauelemente und spart Platz auf der Leiterplatte sowie Montagekosten. 

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