Überspannungsschutz Teil 1 – Der Varistor

Nach aktueller CE-Kennzeichnung müssen seit Ende der 1990er Jahre alle Hersteller einen Überspannungsschutz an elektronischen Geräten zum Schutz gegen Überspannungsimpulse nachweisen. Aber wie verwirklichen sie die entsprechenden Normen?

 

Überspannungsschutz Teil 1: Der Varistor

Schauen wir uns den typischen Überspannungsschutz von Netzteilen einmal näher an und beginnen im ersten Teil mit dem Varistor. Los geht`s.

Varistoren (VDR = Voltage Dependant Resistor) sind spannungsabhängige Widerstände mit symmetrischer Strom-/Spannungskennlinie. „Schön und gut“ kann man sagen, „das können aber auch andere Bauteile“. Wie kann uns also der Varistor speziell beim Überspannungsschutz helfen?

Eigenschaften

Der Varistor hat eine besondere Eigenschaft. Von einer bestimmten Spannung an wird der Varistor niederohmig und verhindert dadurch einen weiteren Spannungsanstieg. Dies geschieht frequenzunabhängig und im Bereich von ca. 20 ns (Nanosekunden). Um das zu verdeutlichen: Das sind 0,000000020 Sekunden. Und genau da liegt der Trick. Er „schaltet“ eine Überspannung so unglaublich schnell durch, z.B. gegen Erde/Masse/Neutralleiter, und leitet diese dabei ab, dass er schneller ist als selbst die kürzesten Anstiegsflanken von „schnellen“ Blitzen. Die liegen im Bereich von 200 ns und sind somit um den Faktor 10 langsamer.

„Aber, wie und wo setze ich das gute Stück nun in der Schaltung zum Überspannungsschutz ein?“

Die Antwort ist leicht. Natürlich ganz am Eingang. So kann ich z.B. die spannungsführenden Eingänge vom 230 V Versorgungsnetz gegen Erde/Masse/Neutralleiter absichern. Wähle ich nun den Varistor mit einer Spannungsschaltschwelle von 280 V, so bleibt er bei der normalen Netzspannung von 230 V hochohmig und „geschlossen“. Die Netzspannung liegt in voller Höhe am Netzeingang und der Netzschaltung an.

Werden nun aber durch einen Überspannungsimpuls die 280 V überschritten, dann schneidet der Varistor schlagartig die Überspannung über 280 V scharf ab.

„Toll, was aber wenn der Blitz negativ ist? Funktioniert der Varistor dann bei einem negativen Impuls nicht mehr?“

Klare Antwort: Doch, er funktioniert! Die Polung des Varistors spielt dabei keine Rolle. Es ist daher völlig Gleichgültig, ob der Impuls negativ oder positiv ist. Ab +280 V oder -280 V ist Schluss mit Überspannung.

„Das ist doch aber eine unglaublich hohe Energie die abzuleiten ist. Hält das der Varistor überhaupt aus?“

Ja. Das Geheimnis liegt dabei in der extremen Leitfähigkeit des Varistors. Wenn der Varistor „durchschaltet“ ähnelt das einem glatten Kurzschluss. Er erreicht Werte von lediglich 0,02 Ohm, weshalb nahezu keine Spannung über ihm abfällt und somit auch keine zerstörende Leistung entsteht. Ein Varistor kann dabei, je nach Typ, Spannungsimpulse in Höhe von bis zu 3.000 V und Kurzschlussstromimpulse bis zu 10.000 A „absorbieren“. Die meist als Überspannungsschutz verbauten Varistoren in handelsüblichen Netzteilen liegen im Bereich von ca. 3.000 V und 1.000 A.

„Und was passiert, wenn die Spannung über 3.000 V ansteigt?“

Ganz einfach: Der Varistor platzt sichtbar auf. Das sieht man dann deutlich. Aber noch ist die Schaltung nicht verloren, denn es kommen weitere Filter. Davon aber mehr im Teil 2 zum Überspannungsschutz.

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