Geräteaufbau für Überspannungsschutz


Varistor   Suppressordiode   Gasableiter

Mit Überspannungsschutz-Adaptern werden wichtige und empfindliche elektrische Geräte zusätzlich gesichert. Eine eventuell auftretende Überspannung wird zum Schutz des Gerätes sehr schnell über den Schutzkontakt der Steckdose und dem Potentialausgleich des Hauses ins Erdreich abgeleitet. Daher sind der normgerecht ausgeführte Potentialausgleich sowie der separat geführte Schutzleiter notwendig für die Funktion des Überspannungsschutz-Adapters.


Netzfilter und USVs


Die einfachsten Bauelemente wie Kondensatoren und Induktivitäten, wie sie in den Netzfiltern verwendet werden, wirken bereits als Überspannungsschutz. Sie sind in der Lage kleine überschüssige Energiemengen zwischenzuspeichern und danach wieder abzugeben. Netzfilter dienen aber eher dazu, den Strom von übergelagerten Signalen frei zu halten und den Elektrosmog einzudämmen, ersetzen aber keinen Überspannungsschutz.


Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) versorgen beim Stromausfall die angeschlossenen elektrischen Geräte mit dem Strom aus einer Batterie unterbrechungsfrei weiter. Damit der Gleichstrom der Batterie zur Versorgung der Geräte mit 230V und 50Hz genutzt werden kann, wird der Strom über einen Wechselrichter gewandelt und hoch transformiert. Moderne USVs nutzen diesen Wechselrichter permanent und speisen die Verbraucher immer mit dem selbst erstellten Wechselstrom. Damit realisieren sie auch gleichzeitig einen Netzfilter mit Überspannungsschutz. Da sie aber bei Überspannungen mit hohen Energiemengen selbst Schaden nehmen könnten, schalten sie bei Gefahr über einen elektronischen Bypass die Versorgungsspannung unverändert zum Endgerät durch. Es ist daher ratsam, die USV selbst immer über einen professionellen Überspannungsschutz mit zu sichern.


Vergleich der einsetzbaren Bauelemente


An einen Überspannungsschutz werden hohe Anforderungen gestellt. Der ideale Überspannungsschutz muss:

  • sehr schnell auslösen,
  • hohe Energiemengen ableiten können,
  • keine Ruheströme verursachen
  • nach dem Ableiten die Betriebssituation automatisch wieder herstellen.

Für die Ableitung der Überspannung werden verschiedene Bauelemente benutzt, die entsprechend unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Um für jede Anwendung die richtigen Eigenschaften nutzen zu können, sind hier die wichtigsten Bauelemente für Überspannungsschutz aufgeführt.


Varistor

Varistor Der Varistor ist ein spannungsabhängiger Widerstand, der nach Erreichen einer Schwellspannung auf einen Widerstand von annähernd Null Ohm sinkt. Der Varistor ist gekennzeichnet durch extrem schnelles Schalten. Der Widerstand ist im Normalzustand aber nicht unendlich hoch, was gewisse Gefahren durch auftretende Leckströme verursacht. Dieser Leckstrom wird durch die natürliche Alterung des Bauelements weiter erhöht. Empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter) können durch diesen Leckstrom bereits auslösen. Bei Netzen, die nicht mit FI-Schaltern gesichert sind, können Berührungsspannungen am Schutzleiter und anderen metallischen Elementen des Hauses auftreten.

Bei längerem Betrieb oberhalb des Schwellwertes werden Varistoren extrem heiß. Um sicher zu stellen, dass von den Bauelementen kein Brand ausgeht, werden sie durch träge Sicherungen noch einmal abgesichert. In diesem Fall wird das Gerät nicht mehr geschützt, aber ein Brand, der sicher auch das Gerät zerstört hätte, wird verhindert.

Suppressordioden

Suppressordiode Suppressordioden sind Bauteile zum Schutz der Ein- und Ausgänge elektronischer Schaltungen vor kurzzeitigen Überspannungsimpulsen (Spannungstransienten), wie sie durch Schaltvorgänge im Netz oder nahe Blitzschläge auftreten. Die Durchbruchspannung und der Leckstrom der Diode haben - außer bei einem Überspannungsereignis - idealerweise keinen Einfluss auf die zu schützende Schaltung.

Gasableiter

Gaseableiter Ein Gasentladungs-Ableiter besteht aus zwei Elektroden, die in einem mit Gas gefüllten Raum eingeschlossen sind. Der Widerstand des Gases ist im Normalzustand sehr hoch. Bei Erreichen der Durchschlagspannung wird das Gas ionisiert und ein seht gut leitender Lichtbogen entsteht. Vorteile dieser Ableiter liegen in der relativ hohen Energie, die über den Lichtbogen abgeleitet werden kann, sowie im extrem hohen Widerstand unterhalb des Schwellwertes. Sie sind daher ideal zur Absicherung des Schutzleiters. Durch die parallel angeordneten Elektroden besitzen die Gasentladungs-Ableiter eine gewisse Eigenkapazität, die das Signalverhalten auf der Leitung beeinflussen kann.

Gasentladungs-Ableiter können mehrfach auslösen. Je nach Stärke und Dauer der abgeleiteten Überspannungen können sich dabei die Elektroden am Lichtbogen abnutzen. Einige Überspannungsadapter haben daher auswechselbare Gasentladungs-Ableiter.

Da viele Schaltungen eine Absicherung von 2 Adern in Richtung Erde vorsehen, werden Schaltungen mit zwei Ableitern mit einem Mittelabgriff zur Erde genutzt. Durch eine dritte Elektrode als Mittelabgriff kann diese Schaltung gleich im Bauelement erfolgen. So werden Platz und Kosten gespart.

Vor- und Nachteile der Bauelemente für Überspannungsschutz
  Varistor Suppressordiode Gasableiter
Vorteile + kurze Ansprechzeit + kurze Ansprechzeit + geringe Eigenkapazität
- hohe Strombelastbarkeit
Nachteile - hohe Eingenkapazität - hohe Eigenkapazität
- geringe Strombelastbarkeit
- träges Ansprechverhalten

Da in den seltensten Fällen die Eigenschaften so benötigt werden, wie sie von einem Bauelement geboten werden, werden verschiedene Schaltungsvarianten genutzt. So können die Eigenschaften der einzelnen Bauelemente für anspruchsvolle Einsatzfälle kombiniert werden um ein Optimum an Sicherheit zu erreichen.


Schaltungsvarianten


Die aufgezeigten Schaltungen sind stark vereinfacht. So sind beispielsweise die termischen Absicherungen der Varistoren nicht eingezeichnet. Zusätzlich werden auch nach Bedarf weitere Sicherungen oder Filterelemente in die Schaltungen eingebunden. Fast alle Schutzgeräte bieten eine Anzeige der Funktionsfähigkeit an, die ebenfalls nicht eingezeichnet ist.


Stromversorgung


Die Stromversorgung wird üblicherweise in Haushalten und Geschäftsräumen über drei Leitungen realisiert. Mögliche Überspannungen können zwischen den beiden Leitern Phase (P) und Null (N) sowie zwischen den Leitern und dem Schutzkontakt (PEN) auftreten. Um einen Schutz in allen Richtungen gewährleisten zu können, ist die Y-Schaltung (Variante 1) entwickelt worden.


Schaltung 1: Y-Schaltung mit zwei Gasableitern
Schaltung 1: Y-Schaltung mit zwei Gasableitern


Diese Schaltung schützt gegen Überspannungen zwischen den Leitern über die Reihenschaltung der beiden Gasableiter sowie zwischen jedem Leiter und dem Schutzkontakt über einen Gasableiter. Nachteil dieser Schaltung ist, dass die Ableiter bei einer Überspannung zwischen den Leitern erst bei der doppelten Spannung ansprechen im Vergleich zur Überspannung zum Schutzleiter. Weiterhin können die Gasableiter beim üblichen Wechselstrom einen Folgestrom verursachen, der nach einer Ableitung zu Fehlern im elektrischen Netz führen kann. Eine Reihenschaltung aus Varistor und Gasableiter kann dieses Problem minimieren.


Schaltung 2: Y-Schaltung aus zwei Reihenschaltungen von Varistor und Gasableiter
Schaltung 2: Y-Schaltung aus zwei Reihenschaltungen von Varistor und Gasableiter


Eine der gebräuchlichsten Schaltungen ergibt sich, wenn die beiden Gasableiter zusammen gefasst werden und in den Strang zum Schutzleiter eingebunden wird. So ergeben sich zwischen den Leitern P und N eine Reihenschaltung beider Varistoren. Die Ableitung zur Erde erfolgt über den Schutzleiter. Zwischen Leiter und dem Schutzleiter wirkt dann eine Reihenschaltung aus Varistor und Gasableiter.


Schaltung 3: Y-Schaltung aus zwei Varistoren und einem Gasableiter
Schaltung 3: Y-Schaltung aus zwei Varistoren und einem Gasableiter


Bei entsprechender Dimensionierung können die drei Reihenschaltung symmetrisch aufgebaut werden. Die schnellen Varistoren werden bei einer Überspannung durchleiten und mit dem Kurzschluß zwischen den Leitern den Verbraucher sofort und wirksam schützen. Danach zündet der Gasableiter und leitet die Energie gefahrlos zur Erde ab. Nach Erlöschen des Lichtbogens im Gasableiters begrenzen die Varistoren den auftretenden Folgestrom im Netz.


Der zum Schutzleiter geschaltete Gasableiter verhindert durch seinen hohen Isolationswiderstand auch die ungewollten Leckströme. Leckströme stellen einen Energieverlust der Anlage dar, sind aber auch ein wesentlicher Katalysator für die Korrosion der Erdungsanlage, die durch Leckströme auf ein Vielfaches beschleunigt werden kann.


Datenleitungen


Auf Datenleitungen treten in der Regel wesentlich geringe Betriebsströme auf. Außerdem werden viele Daten über eine Zweidrahtleitungen übertragen. Damit können Datenleitungen oft eine einfachere Schutzschaltung nutzen. Schutzschaltungen für Datenleitungen mit mehr als zwei Leitungen, wie beispielsweise bei ISDN oder Ethernet, werden entsprechend mehrfach aufgebaut.


Schutzschaltung für Datenleitungen
Schutzschaltung für Datenleitungen mit Surpressordiode und Gasableiter mit Mittelabgriff


Durch die geringeren Betriebsströme kann hier eine Suppressordiode eingesetzt werden. Sie hat eine relativ hohe Eigenkapazität, die durch eine Gleichrichterschaltung minimiert wird. Dafür ist die Suppressordiode extrem schnell und kann den Verbraucher in wenigen Nanosekunden mit einem Kurzschluß vor der Überspannung schützen. Einen Rest-Widerstand besitzt die Diode auch noch im gezündeten Zustand. Sollte die Spannung trotzdem weiter steigen wird der der Gasableiters zum Zünden gebracht. Über seinen Mittelabgriff wird die überschüssige Energie zur Erde abgeleitet.


Überspannungsschutz in Kombiadaptern


Kombidapter P201 Nach dem Prinzip des gleichzeitigen Schutzes aller Eingänge eines zu schützenden Gerätes, haben sich auf dem Markt sogenannte Kombiadapter durchgesetzt. Sie enthalten eine Schutzschaltung für die Stromversorgung und eine weitere Schaltung für den Schutz der Datenleitungen. Die Schaltungen sind vollständig separat aufgebaut. Nur zur Ableitung der Energie nutzen die Datenschutzschaltungen den Zugang zum Schutzleiter der Steckdose. Ein typischer Kombiadapter ist der P201. Er schützt gleichzeitig den VoIP basierenden DSL-Zugang sowie die Stromversorgung aller beteiligten Geräte. Das ist auf jedem Fall der DSL-Router als auch Computer, Switches und andere Geräte in der Nähe.

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