März 2017

Überspannungsschutz

Unverzichtbarer Schutz

Smart-Home- und Building-Applikationen, wie intelligente Thermostate, Zugangskontrollen und Einbruchssicherungen etablieren sich zunehmend als Standard im Gebäudemanagement. Unverzichtbar sind dabei insbesondere Brandmelder, denn von ihnen hängen hängen Menschenleben und Sachwerte ab. TDK bietet eine Reihe von EPCOS Bauelementen, die für die Zuverlässigkeit von Brandmeldeanlagen entscheidend sind. Besonders wichtig: Lösungen für den Überspannungsschutz.

Bürohäuser, Hotels, Flughäfen, Einkaufszentren: Gebäude für größere Menschenmengen müssen mit automatischen Brandmeldeanlagen ausgestattet sein. Bei diesen handelt es sich um komplexe Systeme aus Sensoren, Aktuatoren, Stromversorgungen und Datenübertragungseinheiten. Die einzelnen Brandmelder sind in der Regel über ein Netzwerk mit einem Controller verbunden – wobei je nach Gebäudestruktur – sowohl Ring- als auch Stern-Topologien zum Einsatz kommen. Der Controller hat dabei zwei Aufgaben: in zyklischen Abständen die installierten Geräte abzufragen und beim Ansprechen eines Brandmelders notwendige Aktionen auszulösen – dazu zählen die akustische und optische Alarmierung im Gebäude, das Schließen von Brandschutztüren sowie die Benachrichtigung einer Feuerwache über LAN oder GSM Verbindung.

Die elektrische Versorgung von Brandmeldeanlagen erfolgt zum Beispiel über 24-Volt-Netzgeräte. Da die Anlagen auch bei Stromausfall funktionieren müssen, ist die Versorgung mit einer USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) kombiniert, die auch bei länger andauernden Stromausfällen die Spannungsversorgung sicherstellt. Neben Brandmeldern können auch Bewegungsmelder und Glasbruchsensoren in die Systeme integriert werden. Abbildung 1 zeigt das Prinzip einer Brandmeldeanlage.

 

Abbildung 1: Struktur einer Brandmeldeanlage, deren Netzwerk für die Brandmelder auf zwei Ring-Topologien basiert. Die akustischen Alarmgeber dagegen arbeiten in einer Stern-Topologie.

Die Brandmelder arbeiten je nach Anforderung mit verschiedenen Sensortechnologien:

  • Optische Sensoren, um Rauchgas zu erkennen
  • Temperatursensoren, um erhöhte Temperaturen zu detektieren
  • Gassensoren, um CO und CO2 aufzuspüren

Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm eines Brandmelders mit optischer Sensorik.

 

Abbildung 2: Intern werden aus der Spannung des Versorgungsbusses (24 V) die Spannungen für den Mikrocontroller (3,3 V) sowie für den Infrarot-Transmitter und -Receiver erzeugt (10 V).

Hohe Anforderungen an den Überspannungsschutz

Bedingt durch ihre Komplexität können Brandmeldeanlagen allen Arten von Überspannungen ausgesetzt sein. Diese können auf den Daten- wie auf den Stromversorgungsleitungen auftreten. Verstärkt wird die Problematik noch durch die großen Leitungslängen des Systems, da sich hierdurch etliche Szenarien der Einkopplung ergeben. Abbildung 3 zeigt einen Überblick der möglichen Überspannungen. 

 

Abbildung 3: Überspannungen werden nach Größe der Spannung, Dauer und Ursache unterschieden. Entsprechend unterschiedlich sind auch die Wellenformen und Standards nach denen gemessen wird.

ESDIEC 61000 4-2
Surge, BlitzIEC 61000 4-5
Burst, EFT (Electrical Fast Transient)IEC 61000 4-4
Schalten induktiver LastenISO 7637-2
TOV (Temporary Overvoltage)kein Standard

Für alle Arten von Überspannung bietet TDK geeignete EPCOS Varistoren an. Unterschieden wird dabei zwischen monolithischen bedrahteten und Vielschichtvarianten in SMT.

Die monolithischen Varistoren sind für hohe Spannungen und Ströme ausgelegt und werden deshalb etwa für Netzeingänge von Stromversorgungen verwendet. Für sicherheitsrelevante Anwendungen sind neben konventionellen Scheibenvaristoren insbesondere die EPCOS ThermoFuse™-Typen der Serien T14 und T20 (Abbildung 4) interessant: Sie sind für Spannungen von 130 VRMS bis 1000 VRMS ausgelegt, und ihre Stoßstrombelastbarkeit beträgt bis zu 10.000 A (8/20 µs).

Sollte der Varistor einer ThermoFuse überhitzen, trennt die integrierte Sicherung den Varistor vom Netz und verhindert so einen möglichen Brand auf der Leiterplatte oder die Beschädigung von Bauelementen, die in der Nähe des Varistors montiert sind. Sicherung und Varistor sind in einem Kunststoffgehäuse untergebracht, das wie die Beschichtung des Varistors aus flammhemmendem Material besteht.

Die Bauelemente haben drei Anschlüsse: Zwei für die Netzleitung und einen als Monitorausgang, über den der Zustand des Bauelements etwa durch eine LED dargestellt werden kann. Für den erleichterten Austausch können diese Varistoren über eine Leiterplattenklemme montiert werden, was den Austausch erleichtert.

 

Abbildung 4: Varistoren der ThermoFuse-Serie schützen sich selbst vor Überhitzung. Über einen Monitorausgang kann der Status des Bauelements überwacht werden.


Für den Stromversorgungsbus von Brandmeldesystemen sowie die Brandmelder selbst eignen sich die Vielschichtvaristoren der CTVS Surge-Protection-Serie zum Schutz vor Surge Pulsen gemäß IEC 61000 4-5. Dank der Vielschicht-Technologie können diese Bauelemente anforderungsgerecht für unterschiedliche Nennspannungen gefertigt werden. Die SMT-Bauelemente in den Baugrößen 0805 bis 2220 sind für Stoßströme von bis zu 6000 A bei 4 kV in der Pulsformform 8/20 µs bzw. 2 kV mit 10/700 µs ausgelegt und verkraften dabei Energien von bis zu 15 J. Auch für den ESD-Schutz nach IEC 61000 4-2 Level 4 sind diese Bauelemente geeignet und bieten zuverlässigen Schutz bis 30 kV.

Im Gegensatz zu anderen Schutzbauelement-Technologien wie etwa den TVS-Dioden weisen EPCOS CTVS-Varistoren bis zu einer Temperatur von bis zu 150 °C kein Derating auf.

Da Hersteller von Sicherheitssystemen für bestimmte Bauelemente eine Zulassung nach UL 1449 fordern, sind die relevanten Typen der CTVS-Serie entsprechend mit der UL file ID E481997 zugelassen.

Ein Varistor für jede Spannungsebene

Brandmelder, die mit optischer Sensorik arbeiten, benötigen intern zwei zusätzliche Spannungsebenen: 10 V für den Infrarot-Transmitter und -Receiver sowie 3,3 V für den Mikrocontroller. Abbildung 5 zeigt ein mögliches Schaltbild zur Generierung der verschiedenen Spannungen in einem Brandmelder. 

 

Abbildung 5: Erzeugung verschiedener Spannungsebenen in einem Brandmelder über eine diskrete Lösung für 10 V und einen LDO (Low-dropout Regler) für 3,3 V. Vier Varistoren dienen hierbei zum Schutz vor Überspannungen.

Der Eingang, der vom 24-Volt-Bus versorgt wird, muss in jedem Fall mit einem Varistor (CTVS1) geschützt werden, um Einkopplungen von Überspannungen zu verhindern. Hierfür kann ein EPCOS SMT Vielschichtvaristor der CTVS Surge-Protection-Serie vom Typ CT2220K30G verwendet werden, der eine maximale Gleichspannung von 30 V und für einen Stoßstrom von 1200 A (8/20 µs) ausgelegt ist. Er sollte möglichst nah an den Anschlussklemmen platziert sein, um den bestmöglichen Schutz bieten zu können. Der parallelgeschaltete Kondensator C1 – etwa ein TDK MLCC – dient zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen. Für höhere Busspannungen bzw. Überspannungsanforderungen gibt es aus dem TDK Portfolio eine Vielzahl weiterer Vielschichtvaristoren, die am Eingang zum Einsatz kommen können.

Die Schaltung aus Q1, R1 und D1 bildet den Spannungsregler für den 10-Volt-Ausgang. Zur Erhöhung der Sicherheit ist zu der Zenerdiode (D1) ein EPCOS Varistor des Typs CT0402S11ACCG (CTVS2) parallelgeschaltet, um beim Ausfall der Diode einen zu großen Spannungsanstieg an der Basis von Q1 zu verhindern. Der stabilisierte 10-Volt-Ausgang wird mit einem weiteren Varistor (CTVS3) geschützt. Die Keramik-Kondensatoren C2 und C3 dienen zur Stabilisierung und Rauschunterdrückung. Die über den LDO-Regler erzeugte Spannung für den Mikrocontroller wird über CTSV4 des Typs CDS2C05GTA geschützt.

Kenndaten der EPCOS CTVS Surge-Protection-Serie


VRMS [V]:30 - 115
VDC [V]38 - 150
Isurge (8/20 µs) [A] 80 - 6000
Wmax [J]0,3 - 15
Baugröße (EIA)0805 - 2220

Neben den Stromversorgungsleitungen gilt es auch die Datenleitungen zu schützen, da ESD-Ereignisse insbesondere Schnittstellen schädigen können. Hierfür bietet TDK mit der EPCOS CeraDiode® High-Speed-Serie einen hervorragenden Schutz. Dank der geringen Eigenkapazitäten, die abhängig vom Typ einen Minimalwert von 0,6 pF aufweisen, wird die Signalintegrität nicht beeinflusst. Neben den klassischen Single-Chip-Typen sind auch Arrays für beispielsweise vier Datenleitungen verfügbar. Ein weiteres herausstechendes technisches Produktmerkmal ist auch die mit maximal 0,5 ns extrem kurze Ansprechzeit der CeraDioden.

Kurzschlussfest dank PTC-Thermistoren

Da alle Brandmelder parallel an dem Versorgungsbus liegen, würde bereits der Kurzschluss eines einzigen Gerätes die gesamte Strecke lahmlegen. Um dies zu vermeiden, muss jeder Brandmelder mit einer Sicherung ausgestattet sein. Hierfür eignen sich PTC-Thermistoren sehr gut, die als selbstrückstellende Sicherungen wirken. Zum Funktionsprinzip: Solange der Thermistor kalt ist (Raumtemperatur), weist er einen geringen Widerstand auf. Tritt wie bei einem Kurzschluss ein Strom auf, der deutlich über dem spezifizierten Maximalwert liegt, erwärmt sich der PTC-Thermistor und wechselt schlagartig in einen hochohmigen Zustand. Dadurch wird der Stromfluss auf ein unkritisches Maß gedrosselt. Sobald die Ursache für den Kurzschluss beseitigt ist, kühlt der PTC-Thermistor ab und geht wieder in den niederohmigen Zustand über. Für den Einsatz in Brandmeldern eignet sich zum Beispiel der EPCOS Typ B59873C0120A570, der für einen maximalen Laststrom von 90 mA bei 25 °C ausgelegt ist.

Breites Bauelementeangebot für Brandmeldeanlagen

Neben den Lösungen für den Überspannungsschutz eignet sich eine ganze Reihe weiterer EPCOS und TDK Bauelemente für den Einsatz in Brandmeldeanlagen. Dazu zählen Induktivitäten sowie Keramik-, Folien- und Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren genauso wie NTC-Thermistoren. Mit letzteren lassen sich unter anderem Brandmelder realisieren, die nach dem thermischen Prinzip arbeiten.

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