Überspannungsschutz

Hintergrund

Laut Studien des Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) treten Stromleitungsstörungen durchschnittlich viermal am Tag auf. Diese Störungen – Stromerhöhungen, die an Steckdosen angeschlossene elektronische Geräte beschädigen können – können durch Blitzschlag oder andere wetterbedingte Vorfälle verursacht werden; Verkehrsunfälle mit Auswirkungen auf Stromleitungen; die Verwendung von elektrischen Produkten wie Motoren, Kompressoren und Leuchtstofflampen; elektrische Hochleistungsgeräte und Spannungsschwankungen, die von einem Energieversorgungsunternehmen initiiert werden; und hochfrequentes Rauschen. Solche Störungen können die Stromversorgung unterbrechen oder auslöschen und elektrische Geräte beschädigen. Sowohl Überspannungen als auch Spannungsspitzen können durch den Einsatz eines Überspannungsschutzes verhindert werden, einem Gerät, das dazu dient, die Störungen zu erden, oder anders ausgedrückt, die Störungen in den Boden anstatt in die elektrischen Geräte zu leiten und/oder den überschüssigen Stromfluss durchgängig zu absorbieren ein elektrisches System. Stromspitzen und Überspannungen können elektronische Geräte beschädigen, auch wenn sie nicht eingeschaltet sind.

Verlauf

Einer der ersten Überspannungsschutzgeräte wurde in den 1950er Jahren von der Firma General Electric entwickelt. Etwa zur gleichen Zeit wurde in Japan ein ähnliches Gerät entwickelt. Anfängliche Überspannungsschutzvorrichtungen verwendeten Selengleichrichter (Komponenten, die verwendet werden, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln) und später Kohlepfähle (scheibenförmige Komponenten, die verwendet werden, um Strom zu übertragen).

Die meisten heute üblichen Überspannungsschutzvorrichtungen verwenden eine Funkenstreckentechnologie – ein System, bei dem die Schutzvorrichtung Ströme durchbricht oder kurzschließt, wenn die an ein elektronisches Gerät angelegte Spannung die maximale Toleranz oder Nennleistung des Geräts überschreitet. Es gibt drei Arten von Suppressoren für Funkenstrecken, Gasröhren-Suppressoren, Metalloxid-Varistor (MOV)-Suppressoren und Silizium-Lawinen-Suppressoren (eine spezielle Art von Transient-Spannungs-Suppressor [TVS]). Die Typenbezeichnungen beziehen sich auf die Materialien, die der Hauptbestandteil jedes Überspannungsschutztyps sind.

Ein TVS verwendet einen Prozess, der als "Sperrspannung in Sperrrichtung" bezeichnet wird. Bei diesem Vorgang bricht der Überstrom, der durch eine TVS-Diode (ein röhrenförmiges Halbleiterbauelement, das einem Widerstand ähnlich ist) fließt, durch und wird zu einem Kurzschluss, wenn die an einen Stromkreis angelegte Spannung den Nennwert der Lawine oder den maximalen Wert dieses Stromkreises überschreitet. Ein TVS wird nur mit Gleichstromkreisen (DC) verwendet, in denen der Strom nur in eine Richtung fließt (wie in einer Autobatterie), aber zwei TVSs, die Rücken an Rücken platziert sind, schützen ein Wechselstromsystem (AC), in dem Strom in beide Richtungen fließt Wege.

Ein Gasröhren-Suppressor wird üblicherweise mit Kommunikations- und Spannungsversorgungsleitungen verwendet. Der Gasröhren-Suppressor schließt einen Stromstoß kurz und leitet jeden damit verbundenen hohen Strom zur Erde, wobei der sonst beeinträchtigte Stromkreis umgangen wird, indem ein Niederspannungspfad für den überschüssigen Strom durch eine Keramik- oder Metallröhre bereitgestellt wird. Gas in der Röhre ionisiert während eines Stoßes und erzeugt einen leitenden Zustand innerhalb des Suppressors. Der Stoß wird in dieser leitenden Atmosphäre in einen Entladungsbogen umgewandelt, der den Suppressor kurzschließt, und jeder hohe Strom wird geerdet. Anschließend wird das Gas entionisiert und der Suppressor zurückgesetzt.

Schaltplan eines Überspannungsschutzes.

Ein MOV verwendet variable Widerstände oder Varistoren und ist daher am funktionellsten mit einem Wechselstromsystem. Ein MOV-Suppressor absorbiert zusätzliche Spannung sowohl während positiver als auch negativer Schwingungen in einem Wechselstromsystem durch einen Prozess, der als Klemmen bezeichnet wird. Wenn die an den Schaltkreis angelegte Spannung den MOV-Nennwert überschreitet – die Last, über der der MOV ausgelöst werden soll – wird ein Kurzschluss verursacht und die Spannung wird in den absorbierenden Körper des MOV-Suppressors übertragen, wodurch der Schaltkreis umgangen wird, der sonst gestört worden.

Rohstoffe

Die eigentliche Montage eines Überspannungsschutzes ist relativ einfach. Die Komplexität des Instruments liegt in den Funktionen der verschiedenen Komponenten. Die Hauptkomponente eines Gasrohrsuppressors ist ein zylindrisches Keramik- oder Metallrohr, das das Sauerstoffgas enthält, das den überschüssigen Strom trägt. Dieser Suppressortyp verwendet auch Hartlötscheiben aus Kupfer oder einer Legierung aus Kupfer und Silber, dünnwandige Hohlelektroden aus einem Material wie Kovar mit radialen Flanschen und absorbierendem Gettermaterial.

Die Hauptkomponenten eines MOV-Suppressors sind die scheibenförmigen, keramischen MOVs, die den überschüssigen Strom absorbieren. Dieser Suppressortyp verwendet auch ringförmige Komponenten, die von Spulen umgeben sind. Diese Komponenten werden als symmetrische Ringkerndrosseln bezeichnet, eine Art Induktivität, die eine Komponente ist, die elektrische Energie als elektromagnetisches Feld speichert. Der Induktor dehnt sich aus und kollabiert, um einen konstanten Stromfluss durch die Spule aufrechtzuerhalten. Flache rechteckige oder scheibenförmige Hochfrequenzkondensatoren und VHF-Kondensatoren können zum Filtern von elektromagnetischen und hochfrequenten Störungen verwendet werden. Ein Kondensator speichert eine elektrostatische Ladung und erhöht oder verringert die Ladung, um einen konstanten Spannungsfluss über das Bauteil aufrechtzuerhalten. Die Komponenten sind alle auf einer Platine aus starrem, nichtleitendem Material, beispielsweise Glasfaser, montiert.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Gasrohrunterdrücker

• 1 Zuerst müssen die Enden des Keramik- oder Metallrohrs mit leitfähigem Metallmaterial wie Kupfer versehen werden. Dies wird als Metallisierung bezeichnet.
• 2 Als nächstes werden Hartlötscheiben an den metallisierten Enden des Rohres angebracht.
• 3 Dünnwandige Hohlelektroden mit radialen Flanschen zum Verbinden mit den Unterlegscheiben werden dann in die beiden Enden des Rohres eingeführt.
• 4 Die Baugruppe wird dann erhitzt, um die Komponenten zu verlöten, und das Innere des Rohres wird evakuiert.
• 5 Das Rohr kann auch mit Gettermaterial ausgekleidet sein, um unerwünschte Gase im Inneren des Rohres zu absorbieren.

MOV-Suppressor

• 6 Zuerst wird die Leiterplatte mit Kupferfolie, Kupferabscheidung oder einem anderen hochleitfähigen Material metallisiert (ein Stromkreis wird verfolgt).
• 7 Als nächstes werden Schlitze für die Widerstände und Kondensatoren in die metallisierte Leiterplatte geätzt.
• 8 Die MOVs, Ringkerndrosseln und Kondensatoren werden auf die Platine gelötet.
• 9 Steckdosen und ein Ein-/Ausschalter sind angebracht, und das Gerät ist in ein Kunststoff- oder Metallgehäuse mit Öffnungen für die Steckdosen und den Schalter eingeschraubt.

Qualitätskontrolle

Elektronische Geräte unterliegen strengen Spezifikations- und Qualitätskontrollanforderungen. Das IEEE, eine vom American National Standards Institute akkreditierte Normungsstelle, legt Standards fest, die amerikanische elektrische Geräte erfüllen müssen, um verkauft zu werden. Die meisten, wenn nicht alle, in den Vereinigten Staaten verkauften Elektrogeräte werden auch von Underwriters Laboratories (UL) getestet, einem unabhängigen Unternehmen, das Produktsicherheits- und Leistungstests durchführt. Das UL-Siegel auf der Verpackung von Elektrogeräten weist darauf hin, dass diese Produkte diese Prüfung bestanden haben. UL weist Produkten auch Bewertungen auf der Grundlage von Sicherheits- und Leistungsfaktoren zu. Somit zeigt das Siegel nicht nur an, dass ein Produkt die UL-Tests bestanden hat, sondern die Bewertung gibt auch an, wie gut das Produkt in diesen Tests abgeschnitten hat.

Die Zukunft

Da das Design des Überspannungsschutzes ziemlich einfach ist, konzentrieren sich neue Innovationen eher auf die Verbesserung des Originalprodukts als auf die Änderung seiner Zusammensetzung. Obwohl MOV-Überspannungsschutzgeräte nach wie vor die gebräuchlichsten Geräte für den häuslichen und gewerblichen Überspannungsschutz sind, sind viele Modelle von MOV-Überspannungsschutzgeräten erhältlich. Einige Modelle verfügen über Widerstandsfähigkeit gegenüber Telefonleitungsstörungen und modernste Methoden zur Beseitigung von Störgeräuschen. Viele Änderungen sind paketorientiert. Die Steckdosenkonfiguration wurde geändert, um mehr Geräte an den Entstörer anzuschließen und Steckertransformatoren unterzubringen; das Gehäuse besteht aus haltbareren Materialien wie Aluminium; und Diagnose-LED-Anzeigen (Leuchten, die den Status der Leitung und etwaige Störungen anzeigen) werden hinzugefügt. Da der Bedarf an Haushalts- und Gewerbeelektronik schnell wächst und der Schutz elektronischer Geräte – insbesondere von Computer- und Telekommunikationsgeräten – immer wichtiger wird, wird dieses kleine, einfache elektronische Gerät schnell zu einem unverzichtbaren Bestandteil jeder elektronischen Einrichtung.