Interne versus externe Überspannungsschutzgeräte: Was ist am besten für den umfassenden Schutz von Leiterplatten

Wenn wir Maßnahmen betrachten, um gegen Spannungsspitzen und transiente Störungen zu schützen, erhalten TVS-Dioden die meiste Aufmerksamkeit. Es gibt nichts auszusetzen an TVS-Dioden, da sie eine ausgezeichnete kostengünstige, platzsparende Komponente zum Schutz von Geräten vor Spannungsspitzen und ESD-Ereignissen sind. Allerdings sind diese Dioden nicht die einzige Option, um mit Spannungsspitzen umzugehen. Stattdessen gibt es Komponenten, die auf und außerhalb der Leiterplatte als Teil einer umfassenden Strategie zum Widerstand gegen Spannungsspitzen und transiente Störungen verwendet werden können.

Welche Art von Überspannungsschutz wird benötigt?

Überspannungsschutz ist erforderlich, wenn die Gefahr einer Spannungsspitze am Hauptstromanschluss, der in ein Gerät führt, besteht. Es gibt Anforderungen in EMV-Vorschriften und Industriestandards für bestimmte Produkte, die dann den Einsatz von Überspannungsschutzkomponenten und -schaltungen fordern. Das Niveau des Überspannungsschutzes hängt von der erwarteten Höhe der Spannungsspitze und dem Stromanstieg ab, der während des Ereignisses erfahren würde. Wenn nach einem spezifischen Standard entworfen wird, sollte der im Standard angegebene Mindestwert den Entwurf leiten und kann die Auswahl der Komponenten diktieren.

Überspannungsschutz kann auch intern auf der Leiterplatte als eine Reihe von Komponenten oder extern als vorgefertigtes Modul vorhanden sein. Letzteres ist häufiger bei Geräten der Fall, die sich direkt an das Stromnetz anschließen (ohne zwischengeschaltetes Netzteil) und dabei sehr hohe Spannungen nutzen. Diese Komponenten sind oft einfach zu groß, um auf eine Leiterplatte zu passen. On-Board-Komponenten sollten auch an gezielten Stellen verwendet werden, selbst wenn eine externe Komponente für die Funktion des Systems erforderlich ist. Zusammen ermöglichen sie es einem System, transiente Ereignisse mit unterschiedlichen Ausmaßen zu überstehen, die mit starken Stromspitzen verbunden sein können.

Interner (On-Board) Überspannungsschutz

Einschaltstrombegrenzungswiderstand - Stromspitzen und das Einschalten von Strom aus dem Wechselstromnetz im Allgemeinen können Einschaltströme verursachen, die Geräte während der ersten Einschaltphase beschädigen können. Einschaltströme können mit einem festen Widerstand reduziert und gedämpft werden. Um einen Strombegrenzungswiderstand zu dimensionieren, verwenden Sie den maximalen Strom, den Sie beim Einschalten erwarten können, und die Spitzen-Eingangsspannung, um die Leistung des Widerstands zu berechnen. Der Widerstand wird dann mit diesen Werten nach dem Ohmschen Gesetz berechnet. Dies ermöglicht es dem Einschaltstrombegrenzer, den Strom auf das erforderliche Niveau einzustellen, ohne während der Einschaltphase durchzubrennen.

Varistor - Varistoren sind nichtlineare spannungsgesteuerte Widerstände. Mit anderen Worten, es handelt sich um Komponenten, deren Gleichstromwiderstand eine Funktion der Eingangsspannung ist, die sie erfahren. Diese Komponenten funktionieren in gewisser Weise wie Dioden, da sie anfangs einen hohen Widerstand haben, aber über einem bestimmten Arbeitsspannungsschwellenwert kann ihr Widerstand abnehmen. Dies ermöglicht es ihnen, die Stärke eines Überspannungsereignisses zu reduzieren, indem sie den Leistungsspitzenanstieg bei seinem Anstieg dämpfen. Diese Komponenten werden auf beliebten Halbleitermaterialien aufgebaut, oder es kann sich um Metalloxid-Varistoren (MOVs) handeln.

Gasentladungsröhre - Diese Komponenten werden über Stromversorgungseingänge platziert. Sie können einen sehr hohen transienten Spannungsschutz bieten, wenn sie stromaufwärts von bidirektionalen/unidirektionalen TVS-Dioden an Komponentenpins platziert werden. In dieser Konfiguration zielt eine Gasentladungsröhre auf die höheren Spannungstransienten und Leistungsspitzen ab, während der langsamere/niedrigere Spannungsteil eines Transienten mit den TVS-Dioden behandelt wird. Kleinere Gasentladungsröhren sind die typische Komponente, die in Überspannungsschutzgeräten für Wechselstromleisten und Stromversorgungen verwendet wird.

NTC-Thermistoren - Ein negativer Temperaturkoeffizient (NTC) Thermistor kann als Sensor oder als Überspannungsschutz verwendet werden. Der Widerstand des Bauteils verringert sich mit steigender Temperatur. Das bedeutet, dass bei einem Stromstoß und beginnendem Stromanstieg zunächst einige Energie am Thermistor abfällt und in Wärme umgewandelt wird. Der Widerstand des Thermistors nimmt dann ab und lässt den Rest der Energie stromabwärts zu einem anderen Überspannungsschutzbauteil, typischerweise TVS-Dioden, passieren. Diese werden manchmal in Serie mit einer Gasentladungsröhre verwendet.

TVS-Diode - Zu guter Letzt habe ich TVS-Dioden aufgenommen. Sie sind die erste Wahl für den Überspannungsschutz sowohl bei Niederspannungs-Bussen als auch bei Datenleitungen. Bei Niederspannungs-Bussen, wie der +5 V Leitung, die von einem USB-Anschluss kommt, können kleine TVS-Dioden ausgewählt werden, um einen sehr feinen Überspannungsschutz zu bieten, der mit starken Stromstößen und schnellen Transienten umgehen kann. Um mehr über die Verwendung von TVS-Dioden zu erfahren, lesen Sie diesen Artikel.

PCB-Montierter Leitungsschutzschalter - Schließlich gibt es Miniatur-Leitungsschutzschalter, die auf PCBs montiert werden können, typischerweise als Durchsteckkomponenten. Diese Schalter können hohe Stromstärken aufweisen (Zehner von Ampere); sie neigen dazu, ein hohes Profil zu haben und sollten am Rand montiert werden, um Zugang zum Schalter zu haben. Diese Geräte funktionieren auf die gleiche Weise wie ihre in Gehäusen/Schränken montierten Gegenstücke.

Externer Überspannungsschutz

Externe Geräte, die für den Überspannungsschutz verwendet werden können, umfassen Module, die die oben genannten Funktionen ausführen, sowie Leitungsschutzschalter. Diese Komponenten können in Gehäusen montiert oder in einem Rack oder Schrank untergebracht werden, einfach weil sie zu groß sind, um direkt auf einer PCB montiert zu werden. Diese Komponenten können dann über Kabel mit großem Querschnitt an große Schraubklemmen auf der PCB angeschlossen werden, abhängig von den beteiligten Strömen. Diese Komponenten werden typischerweise mit Wechselspannungen der Stromleitung und/oder hohen Gleichspannungen verwendet, wie der unten gezeigte Überspannungsableiter von Allen-Bradley.

Lohnt es sich, mehr für einen externen Überspannungsableiter zu bezahlen?

Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, wo ein Gerät eingesetzt wird. Diese Ableiter werden höchstwahrscheinlich in größeren Systemen verwendet, wie man sie in industriellen Umgebungen, auf großen Schiffen und sogar in Flugzeugen findet. Für die konservativsten Einsätze und Systeme, die die höchstmögliche Betriebszeit haben müssen und sehr hohen Überspannungen standhalten sollen, sind externe Ableiter den zusätzlichen Komponentenkosten wert.

Auch wenn Sie einen externen Überspannungsableiter verwenden, sollten auch an Bord befindliche Komponenten eingeschlossen werden. Die Gesamtkosten für das Einpassen dieser Komponenten in ein Design sind minimal, selbst wenn alle oben genannten Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Alle diese Komponenten zusammen schützen gegen eine Reihe von Fehlern, Überspannungen und transienten Störungen im gesamten System, nicht nur gegen eine Stromspitze am Netzanschluss oder am Eingang der Stromversorgung.

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