Kompakter und robuster Überspannungsschutz

Überspannung und die damit verbundenen sehr hohen Stoßströme führen zur Schädigung oder sofortigen Zerstörung von elektrischen und elektronischen Geräten. Ein zuverlässiger Überspannungsschutz ist daher unumgänglich. TDK hat auf Basis eines neuen Keramikmaterials jetzt eine High-Surge-Serie von EPCOS Vielschichtvaristoren entwickelt, die kompakte Abmessungen mit hervorragender Schutzwirkung vereinen.

Überspannungen, die sich auf elektrische Geräte auswirken, haben verschiedenste Ursachen, unterschiedliche Energiegehalte und werden über unterschiedliche Pfade eingekoppelt. ESD-Impulse etwa, die nach IEC 61000-4-2 gemessen werden, betreffen hauptsächlich I/Os von Kommunikationsgeräten. Hierbei wird mit einer Testspannung von 8 kV (Kontaktentladung) bzw. 15 kV (Entladung über Luft) gemessen. Die zugehörigen Impulsformen zeichnen sich durch extreme Flankensteilheit mit Anstiegszeiten im Bereich von Nanosekunden aus. Der Energiegehalt dieser Impulse ist mit einigen Millijoule jedoch relativ gering.

Zum Schutz vor solchen ESD-Ereignissen bietet TDK ein breites Spektrum an miniaturisierten CeraDiode^® Varistoren für unterschiedliche Spannungen an. Die kleinste Bauform hat eine Grundfläche von nur noch 0,4 x 0,2 mm² bei einer extrem geringen Höhe von 0,1 mm. Diese CeraDiode Varistoren eignen sich damit hervorragend für den Einsatz in mobilen Applikationen wie Smartphones, Tablets und Wearables.

Eine andere Form der Überspannung wird hauptsächlich auf Stromversorgungsleitungen eingekoppelt, die durch Blitzeinschläge in der Nähe oder Lastabwürfe verursacht werden. In diesen Fällen treten Impulsströme im Kiloampere- und Mikrosekundenbereich auf. Der Energiegehalt dieser Impulse kann im schlimmsten Fall mehrere tausend Joule betragen und ist somit um Dimensionen größer als bei ESD-Ereignissen. Die Fähigkeit eines Bauelements, diese energiereichen Impulse zu verkraften, wird nach IEC 61000-4-5 mit der Impulsform 8/20 μs für den Kurzschlussstrom und 1.2/50 μs für die Leerlaufspannung gemessen (Abbildung 1, 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 in solchen Fällen ausreichenden Schutz bieten zu können, sind Schutzbauelemente für die zu erwartenden maximal auftretenden Ableitströme und Energien auszulegen. Daher sind entsprechende Varistoren verhältnismäßig voluminös.

Neue Keramik schafft kompaktere Bauformen

Um die Kompaktheit und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit von Vielschichtvaristoren zu verbessern, hat TDK ein neues Keramikmaterial für Schutzbauelemente der neuen High-Surge-Serie entwickelt. Die besseren Eigenschaften des neuen Materials beruhen auf einer höheren Dotierung des ZnO Varistors mit einem speziellen Metalloxid, woraus eine feinere Kornstruktur resultiert. Dadurch ergeben sich deutlich mehr aktive Korngrenzen pro Volumeneinheit, in deren Folge die Stromdichte um mehr als Faktor drei im gleichen aktiven Volumen des Bauelements gesteigert werden konnte. Gleichzeitig stieg die relative Permittivität um ein Vielfaches, wodurch sich – ebenfalls im selben Volumen – eine deutlich höhere elektrische Feldstärke E_V realisieren lässt (Abbildung 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.

Durch die verbesserten elektrischen Eigenschaften kann jetzt bei einer bestimmten Spannungsklasse des Varistors die Zahl der inneren Elektroden erhöht werden, wodurch die Stoßstrombelastbarkeit des Bauelements bei gleicher Baugröße deutlich steigt bzw. sich die geforderte Performance in erheblich kleineren Baugrößen realisieren lässt. Das heißt konkret: Während Standard-Varistoren mit einer Stoßstrombelastbarkeit von 1200 A (8/20 μs) in der Bauform EIA 2220 gefertigt werden, ist es TDK mit der neuen Keramik nun gelungen, dieselbe Performance bei der High-Surge-Serie in der Bauform EIA 1210 zu realisieren. Das entspricht einer Volumenreduzierung um mehr als Faktor drei. Damit eignen sich die neuen Varistoren für den Einsatz unter anderem in den Anwendungswelten Internet-of-Things und Industry 4.0, wo die Miniaturisierung ebenfalls eine immer wichtigere Rolle spielt.

Kleinere Klemmspannung und höhere Leistung

Die Klemmspannung tritt bei einem ESD-Ereignis zusammen mit einem bestimmten Stoßstrom am Bauelement auf. Je höher die am Varistor auftretende Klemmspannung bei gleichem Strom, umso größer ist auch die elektrische Leistung und damit letztendlich die Energie, die der Varistor aufnehmen muss. Das heißt im Umkehrschluss: Bei kleineren Klemmspannungen wird eine höhere Strombelastbarkeit erreicht, um dieselbe Energieaufnahme zu erzielen.

So ist zum Beispiel der bestehende EPCOS Vielschichtvaristoren-Typ CN2220K50E2GK2 bei einer Klemmspannung von 135 V mit 10 A spezifiziert. Dagegen erreicht der neue High-Surge-Low-Clamp-Typ CT2220S50E3G mit dem verbesserten Keramikmaterial bei derselben Klemmspannung eine Stoßstrombelastbarkeit von 400 A (Abbildung 4). Dieser neue Varistor bietet damit einen deutlich besseren Schutzgrad.

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 Schutzbauelemente, mehr Sicherheit

Um mit SMT-Vielschichtvaristoren eine möglichst hohe Stoßstrombelastbarkeit zu erreichen, werden in der Regel mehrere Bauelemente parallel geschaltet. Da Varistoren jedoch Spannungstoleranzen von bis zu ±20 Prozent aufweisen, ist für solche Anwendungen die Verwendung exakt aufeinander abgestimmter Bauelemente erforderlich. Diese Vorgabe wiederum stellt aber einen erheblichen Kostenfaktor dar. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass trotz enger Tolerierung die einzelnen Bauelemente in ihrer elektrischen Charakteristik leicht voneinander abweichen. In Folge werden bei einem ESD-Ereignis Bauelemente mit unterschiedlichen Strömen beaufschlagt, wodurch nicht selten der am stärksten belastete Varistors ausfällt.

Die neue TDK Keramik jedoch hat das Sicherheitsrisiko deutlich verringert. Mit Hilfe des neuen Werkstoffs können jetzt Varistoren gefertigt werden, die in nur einem Bauelement die entsprechende hohe Stoßstrombelastbarkeit und damit Schutzwirkung bieten. Doch nicht genug der Verbesserungen: Denn gleichzeitig lässt sich die Anzahl der benötigten Schutzbauelemente drastisch reduzieren – und damit auch Leiterplattenfläche und Kosten im Materialeinsatz sowie in der Montage.

Tabelle: Daten der EPCOS MLV-High-Surge-Serie