Ein Überspannungsschutzgerät (ÜSG) ist ein unverzichtbares Bauteil zum Blitzschutz elektronischer Geräte. Früher wurde es als „Blitzableiter“ oder „Überspannungsschutz“ bezeichnet. Die Funktion eines Überspannungsschutzgeräts besteht darin, transiente Überspannungen, die in Strom- oder Signalleitungen gelangen, auf den Spannungsbereich zu begrenzen, den das Gerät oder System verträgt, oder starke Blitzströme in die Erde abzuleiten und so das angeschlossene Gerät oder System vor Schäden zu schützen. Die Arten und Bauformen von Überspannungsschutzgeräten variieren je nach Anwendung, sie sollten jedoch mindestens ein nichtlineares Spannungsbegrenzungselement enthalten. Zu den grundlegenden Bauteilen von Überspannungsschutzgeräten gehören: Entladungsstrecken, Gasentladungsröhren, Varistoren, Entstördioden und Drosselspulen. I. Klassifizierung von Überspannungsschutzgeräten: 1. Nach Funktionsprinzip: 1. Schaltende Überspannungsschutzgeräte: Ihr Funktionsprinzip beruht darauf, dass sie im Ruhezustand eine hohe Impedanz aufweisen. Sobald sie auf eine Blitzüberspannung reagieren, sinkt ihre Impedanz abrupt auf einen niedrigen Wert, sodass der Blitzstrom durchfließen kann. Zu den in dieser Geräteart verwendeten Bauteilen gehören: Entladungsstrecken, Gasentladungsröhren, Thyristoren usw. 2. Spannungsbegrenzender Typ: Sein Funktionsprinzip beruht darauf, dass er bei fehlender kurzzeitiger Überspannung eine hohe Impedanz aufweist, die jedoch mit steigendem Stoßstrom und steigender Spannung kontinuierlich abnimmt. Seine Strom-Spannungs-Kennlinie ist stark nichtlinear. Zu den für diesen Gerätetyp verwendeten Bauteilen gehören: Zinkoxiddioden, Varistoren, Sperrdioden, Lawinendioden usw. 3. Shunt- oder Drosseltyp: Shunt-Typ: Er wird parallel zum zu schützenden Gerät geschaltet und weist gegenüber Blitzimpulsen eine niedrige, gegenüber der normalen Betriebsfrequenz jedoch eine hohe Impedanz auf. Drossel-Typ: Er wird in Reihe zum zu schützenden Gerät geschaltet und weist gegenüber Blitzimpulsen eine hohe, gegenüber der normalen Betriebsfrequenz jedoch eine niedrige Impedanz auf. Zu den für diese Art von Gerät verwendeten Komponenten gehören: Drosselspule, Hochpassfilter, Tiefpassfilter, Viertelwellen-Kurzschluss usw. Je nach Anwendungszweck: (1) Netzschutzgerät: Wechselstrom-, Gleichstrom- und Schaltnetzteilschutzgerät usw. (2) Signalschutzgerät: Niederfrequenz-, Hochfrequenz- und Antennenschutzgerät usw. II. Grundlegende Komponenten von Überspannungsschutzgeräten und deren Funktionsprinzip: 1. Entladungsstrecke (auch Schutzstrecke genannt): Sie besteht im Allgemeinen aus zwei Metallstäben mit einem bestimmten Abstand zueinander, die der Luft ausgesetzt sind. Ein Metallstab ist mit der Phase L1 oder dem Neutralleiter (N) des zu schützenden Geräts verbunden, der andere mit dem Schutzleiter (PE). Bei einer transienten Überspannung bricht die Strecke durch und leitet einen Teil der Überspannungsladung gegen Erde ab, wodurch ein Spannungsanstieg am geschützten Gerät verhindert wird. Der Abstand zwischen den beiden Metallstäben dieser Art von Entladungsstrecke kann je nach Bedarf angepasst werden, und die Konstruktion ist relativ einfach. Ihr Nachteil ist die geringe Lichtbogenlöschleistung. Die verbesserte Entladungsstrecke ist eine Winkelstrecke, die eine bessere Lichtbogenlöschung als die vorherige aufweist. Sie löscht den Lichtbogen durch die elektrodynamische Kraft F des Stromkreises und die Aufwärtswirkung des Heißgasstroms. 2. Gasentladungsröhre: Sie besteht aus zwei voneinander getrennten Kaltkathodenplatten, die in einem mit einer bestimmten Menge Edelgas (Ar) gefüllten Glas- oder Keramikrohr eingeschlossen sind. Um die Zündwahrscheinlichkeit der Entladungsröhre zu erhöhen, befindet sich in ihr ein Zündmittel. Diese Gasentladungsröhren sind als Dioden- und Triodenversionen erhältlich. Zu den wichtigsten technischen Parametern der Gasentladungsröhre gehören: Gleichstrom-Entladungsspannung Udc; Impulsentladungsspannung Up (im Allgemeinen Up ≈ (2–3)Udc); Netzfrequenzstrom In; Impulsstrom Ip; Isolationswiderstand R (> 10⁹ Ω); Elektrodenkapazität (1–5 pF). Die Gasentladungsröhre kann sowohl unter Gleich- als auch unter Wechselstrombedingungen eingesetzt werden. Die gewählte Gleichspannung Udc ist wie folgt: Im Gleichstrombetrieb: Udc ≥ 1,8U0 (U0 ist die Gleichspannung für den normalen Betrieb des Stromkreises). Im Wechselstrombetrieb: Udc ≥ 1,44Un (Un ist der Effektivwert der Wechselspannung für den normalen Betrieb des Stromkreises). 3. Varistor: Ein Varistor ist ein nichtlinearer Metalloxid-Halbleiter-Widerstand mit ZnO als Hauptkomponente. Sobald die an seinen Anschlüssen angelegte Spannung einen bestimmten Wert erreicht, reagiert der Widerstand sehr empfindlich auf die Spannung. Sein Funktionsprinzip entspricht der Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Halbleiter-PN-Übergänge. Die Eigenschaften eines Varistors sind: gute Nichtlinearität (der nichtlineare Koeffizient α in I = CUα), hohe Strombelastbarkeit (~2 kA/cm²), geringer Leckstrom (10⁻⁷ bis 10⁻⁶ A), niedrige Restspannung (abhängig von der Betriebsspannung und Strombelastbarkeit des Varistors), schnelle Ansprechzeit auf transiente Überspannungen (~10⁻⁸ s) und kein Folgestrom. Die wichtigsten technischen Parameter eines Varistors sind: Varistorspannung (Schaltspannung) UN, Referenzspannung Ulma, Restspannung Ures, Restspannungsverhältnis K (K = Ures/UN), maximale Strombelastbarkeit Imax, Leckstrom und Ansprechzeit. Die Betriebsbedingungen eines Varistors sind: Varistorspannung: UN ≥ [(√2 × 1,2)/0,7]U0 (U0 ist die Nennspannung des Netzfrequenznetzes). Minimale Referenzspannung: Ulma ≥ (1,8–2)Uac (bei Gleichstrombetrieb), Ulma ≥ (2,2–2,5)Uac (bei Wechselstrombetrieb, Uac ist die Wechselstrom-Betriebsspannung). Die maximale Referenzspannung des Varistors muss anhand der Spannungsfestigkeit des zu schützenden elektronischen Geräts bestimmt werden. Die Restspannung des Varistors sollte unterhalb der Verlustspannung des geschützten elektronischen Geräts liegen, d. h. (Ulma)max ≤ Ub/K, wobei K das Restspannungsverhältnis und Ub die Verlustspannung des geschützten Geräts ist. 4. Sperrdiode: Die Sperrdiode dient der Begrenzung der Sperrspannung. Sie arbeitet im Sperrbereich. Aufgrund ihrer niedrigen Sperrspannung und schnellen Ansprechzeit eignet sie sich besonders als letztes Schutzelement in einer mehrstufigen Schutzschaltung. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Sperrdiode im Sperrbereich lässt sich durch die Formel I = CUα beschreiben, wobei α der nichtlineare Koeffizient ist. Für Zenerdioden gilt α = 7–9, für Lawinendioden α = 5–7. Die wichtigsten technischen Parameter einer Sperrdiode sind: (1) Die Bemessungs-Durchbruchspannung, d. h. die Durchbruchspannung bei einem festgelegten Sperrstrom (üblicherweise 1 mA). Die Bemessungsdurchbruchspannung einer Zenerdiode liegt üblicherweise im Bereich von 2,9 V bis 4,7 V, während die Bemessungsdurchbruchspannung einer Lawinendiode üblicherweise im Bereich von 5,6 V bis 200 V liegt. (2) Maximale Klemmspannung: Dies bezeichnet die höchste Spannung, die an der Diode anliegt, wenn ein hoher Strom mit einer bestimmten Wellenform durch sie fließt. (3) Impulsleistung: Dies bezeichnet das Produkt aus der maximalen Klemmspannung an der Diode und dem Strom in der Diode bei einer bestimmten Stromwellenform (z. B. 10/1000 µs). (4) Sperrspannung: Dies bezeichnet die maximale Spannung, die im Sperrbereich an die Diode angelegt werden kann. Die Diode darf unter dieser Spannung nicht durchschlagen. Diese Sperrspannung muss deutlich höher sein als der Spitzenwert der höchsten Betriebsspannung des geschützten elektronischen Systems, d. h. sie darf sich im Normalbetrieb des Systems nicht im schwach leitenden Zustand befinden. (5) Maximaler Leckstrom: Dies bezeichnet den maximalen Sperrstrom, der unter Einwirkung der Sperrspannung durch die Diode fließt. (6) Ansprechzeit: 10-11 s 5. Drosselspule: Eine Drosselspule ist ein Gleichtaktunterdrückungsbauteil mit Ferritkern. Sie besteht aus zwei Spulen gleicher Größe und Windungszahl, die symmetrisch auf denselben Ferritringkern gewickelt sind und ein Vierpolbauteil bilden. Sie weist eine hohe Induktivität zur Unterdrückung von Gleichtaktsignalen auf, während die Streuinduktivität für Gegentaktsignale sehr gering ist und somit praktisch keine Auswirkung hat. In symmetrischen Schaltungen eingesetzte Drosselspulen können Gleichtaktstörungen (z. B. Blitzstörungen) effektiv unterdrücken, ohne die normal übertragenen Gegentaktsignale zu beeinträchtigen. Bei der Herstellung dieser Drosselspulen müssen folgende Anforderungen erfüllt sein: 1) Die auf den Spulenkern gewickelten Drähte müssen sich gegenseitig isolieren, um einen Durchschlag und Kurzschluss der Spulenwindungen unter transienter Überspannung zu verhindern. 2) Der Kern darf bei hohem Momentanstrom durch die Spule nicht in die Sättigung geraten. 3) Der Spulenkern sollte von der Spule isoliert sein, um einen Durchschlag unter transienter Überspannung zu verhindern. 4) Die Spule sollte nach Möglichkeit einlagig gewickelt werden. Dies reduziert die parasitäre Kapazität der Spule und verbessert ihre Fähigkeit, transienten Überspannungen standzuhalten. 6. 1/4-Wellenlängen-Kurzschlussschutzschalter Ein 1/4-Wellenlängen-Kurzschlussschutzschalter ist ein Überspannungsschutz für Mikrowellensignale, der auf der Spektralanalyse von Blitzwellen und der Stehwellentheorie von Antennenzuleitungen basiert. Die Länge des metallischen Kurzschlussstegs in diesem Schutzschalter entspricht einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz des Signals (z. B. 900 MHz oder 1800 MHz). Bei der Betriebsfrequenz des Signals ist die Impedanz dieses parallelen Kurzschlussstegs unendlich groß, was einem offenen Stromkreis entspricht und die Signalübertragung nicht beeinträchtigt. Da Blitzenergie hauptsächlich unterhalb von n+kHz verteilt ist, ist die Impedanz dieser Kurzschlussschiene gegenüber Blitzwellen sehr gering, was einem Kurzschluss gleichkommt, und die Blitzenergie wird in die Erde abgeleitet. Da der Durchmesser einer Viertelwellenlängen-Kurzschlussschiene typischerweise nur wenige Millimeter beträgt, weist sie eine ausgezeichnete Stoßstromfestigkeit von über 30 kA (8/20 µs) bei sehr geringer Restspannung auf. Diese Restspannung wird hauptsächlich durch die Eigeninduktivität der Kurzschlussschiene verursacht. Zu ihren Nachteilen zählen eine geringe Netzfrequenzbandbreite von etwa 2 % bis 20 % und die Unfähigkeit, Antennenzuleitungen mit Gleichspannung zu versorgen, was bestimmte Anwendungen einschränkt. III. Grundschaltung von Überspannungsschutzgeräten: Überspannungsschutzgeräte sind je nach Bedarf in verschiedenen Schaltungsformen erhältlich. Ihre Grundkomponenten sind die oben beschriebenen. Ein erfahrener Entwickler von Blitzschutzprodukten kann eine Vielzahl von Schaltungen entwerfen, ähnlich wie Bausteine, die zu verschiedenen Strukturen zusammengesetzt werden können. Die Entwicklung von Produkten, die sowohl effektiv als auch kostengünstig sind, ist eine entscheidende Aufgabe für Blitzschutzexperten.