Als Bauelemente werden bei Weidmüller Gasableiter, Varistoren oder Suppressordioden im Blitz- und Überspannungsschutz eingesetzt. Die elektrischen Elemente unterscheiden sich durch ihr Ansprechverhalten und Ableitvermögen.
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Zwei Elektroden schließen ein Edelgas (z.B. Argon oder Neon) ein, wobei die Elektroden im Gasentladungsraum mit einer Aktivierungsmasse überzogen sind. Zudem gibt es Gasableiter, die eine zusätzliche Zündhilfe besitzen.
Sobald zwischen den beiden Elektroden eine Spannung anliegt, die der sogenannten Zündspannung UZ1 entspricht oder sogar größer ist, ionisiert das Gas, der Gasableiter zündet und der Impulsstrom kann fließen. Dieser Strom fließt solange, bis die Spannung zwischen den beiden Elektroden unter die Bogenbrennspannung UZ2 abfällt. Da jedoch Netzfolgeströme auftreten, müssen diese beherrscht werden.
Im normalen, nicht gezündeten Betrieb besitzt der Gasableiter einen extrem hohen elektrischen Widerstand. Erst nach dem Zünden fällt dieser auf einen extrem niedrigen Wert ab. Aufgrund der hohen Impulsenergien, die ein Gasableiter ableiten kann, wird dieser auch als Grobschutz bezeichnet.
Da er zudem leckstromfrei ist, darf ein Blitzstromableiter, bestehend aus Gasableitern, vor dem Stromzähler montiert werden. Die Ansprechzeit eines Gasableiters liegt im Mikrosekundenbereich und ist damit im Vergleich zu der von Varistoren und Suppressordioden eher langsam.
Die heute vorwiegend eingesetzten Metalloxid-Varistoren bestehen zu ca. 90% aus Zinkoxid und zu 10% aus anderen Metalloxiden. Hierbei wird das Pulver gepresst, gesintert und mit verzinntem Kupferdraht kontaktiert.
Anhand der Abmaße lassen sich Rückschlüsse auf technische Daten ziehen. Die Dicke der Varistorscheibe ist beispielsweise ein Maß für die Varistorspannung und der Durchmesser der Scheibe ist ein Maß für den zulässigen Stoßstrom.
Ein Varistor hat eine symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie. Bei steigender Spannung nimmt der Widerstand des Varistors ab, wodurch er ein gutes Ableitvermögen aufweist.
Nachteilig ist jedoch, dass Varistoren einer gewissen Alterung unterliegen. Zu häufige oder zu energiereiche Ableitungen führen dazu, dass die Diodenkörner innerhalb des Varistors "durchlegieren". Hierdurch sperrt der Varistor im Nennbereich nicht mehr ausreichend und es kommt ein Stromfluss durch das Bauelement zustande (Leckstrom).
Dieser Leckstrom erwärmt die Halbleiterschichten so stark, dass Varistoren zusätzlich thermisch überwacht werden müssen. Aus diesem Grund wird mit Hilfe einer vorgespannten Feder und einer Lötverbindung, die ab einer bestimmten Temperatur schmilzt, ein sicheres Abtrennen des Ableiters von der Netzspannung realisiert. Die Ansprechzeit eines Varistors ist schneller als beim Gasableiter und liegt im Nanosekundenbereich.
Die Kennlinie der Suppressordiode ist durch die Sperrspannung UR, die Durchbruchspannung UB und die Begrenzungsspannung UC charakterisiert.
Sobald die Überspannung oberhalb der Durchbruchspannung UB liegt, wird die Diode sehr niederohmig und leitet den Strom (im Amperebereich) gegen Masse ab. Die Begrenzungsspannung UC liegt etwa bei der 1,8-fachen Nennspannung und begrenzt die Spannung auf einen für die Last ungefährlichen Wert.
Vor- und Nachteile der drei Bauelemente Gasableiter, Varistor und Suppressordiode
Häufig werden in Blitz- und Überspannungsschutzmodulen verschiedene Bauelemente kombiniert. Die Komponenten können in ihrem optimalen Arbeitsbereich arbeiten, was die Gesamteffizienz des SPD’s erhöht. Kombinationsschaltungen bieten eine schnelle Reaktion, hohe Energieaufnahme und effektiveren Schutz gegen Überspannungen.
Paul Kalteis
Technischer Support, Drucker und Werkzeuge
