Was ist ein Spike-/Überspannungsschutz und ein Stromleitungsfilter?

Ein Überspannungsschutz oder Überspannungsschutz ist ein Gerät zum Schutz elektrischer Geräte vor einem unerwünschten plötzlichen und kurzzeitigen Anstieg der Spannungsspitzen. Sowohl Spannungsstöße als auch Spannungsspitzen, die sich auf einen kurzfristigen Spannungsanstieg beziehen, sehen ähnlich aus, sind jedoch unterschiedlich.

Während eine Spannungsspitze ein plötzlicher Spannungsanstieg von weniger als drei Nanosekunden ist, ist ein Spannungsstoß ein plötzlicher Spannungsanstieg, der drei Nanosekunden oder länger anhält.

Eine Spannungsspitze oder ein Stoß ist im Grunde eine vorübergehende Überspannung oder ein elektrischer Impuls von kurzer Dauer, aber hoher Energie, der von externen Quellen in den Stromkreis induziert wird. Transiente Überspannung im Wechselstrom ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1: Spannungsspitzen

Häufige Quellen für Spannungsspitzen und Überspannungen sind elektrische Schalter, Blitzschlag und statische Elektrizität. Spannungsspitzen können auch durch einen schnellen Aufbau oder Abfall eines Magnetfelds erzeugt werden, das Energie in den zugehörigen Stromkreis induzieren kann. Wird beispielsweise der durch eine Relaisspule fließende Strom unterbrochen oder abgeschaltet, erzeugt die Induktivität eine hochfrequente Spannungsspitze.

Die gebräuchlichste Lösung besteht darin, eine Gleichrichterdiode über die Relaisspule (Induktivität) zu legen. Die Diode wird als Freilauf-, Suppressor- oder Flyback-Diode bezeichnet. Bei Stromunterbrechung stellt es einen Rückweg für den Strom her, damit der Stromfluss durch die Induktivität nicht blockiert wird. Strom wird im Laufe der Zeit über seinen Innenwiderstand abgeleitet und Wärme wird von der Induktivität und dem Gleichrichter erzeugt.

Sowohl Spannungsspitzen- als auch Überspannungsphänomene können elektrische Geräte stören und erheblichen Schaden anrichten.

Auf dem Markt sind verschiedene Arten von Überspannungs- und Spitzenschutzgeräten erhältlich. Überspannungsschutzgeräte (SPDs) und Transient Voltage Suppressors (TVS) werden normalerweise in Energieverteilungssystemen, Hochleistungs-Industriesystemen und Kommunikationssystemen installiert, um vor Überspannungen und Spannungsspitzen zu schützen.

Netzfilter

Ein Netzfilter ist ein elektronischer Filter, der zwischen einem elektrischen Gerät und einer externen Leitung platziert wird. Es ist ein passives, bidirektionales Netzwerk, das eine bestimmte Frequenz in der Stromleitung oder im Stromkreis filtert.

Ein Netzfilter ist für elektromagnetische Störungen (EMI) in Wechselstromnetzen ausgelegt und besteht normalerweise aus Induktivität, Kondensator und Widerstand. Es reduziert die Welligkeit der Ausgangsspannung so weit wie möglich. Einige Netzfilter bieten eine minimale Spannungsregelung, während andere vor Problemen mit der Netzqualität schützen.

Ein typisches Schema eines passiven Netzfilters ist in Abb. 2 dargestellt. Das Netzwerk ist sowohl für Wechsel- als auch für Gleichstrom mit bidirektionaler Unterdrückungsfähigkeit geeignet.

Abb. 2: Typischer Netzfilter

Auslegung des Überspannungsschutzes

Ein einfacher Überspannungsschutz ist im Wesentlichen ein Metalloxid-Varistor (MOV) über der Eingangsleitung eines elektrischen Geräts – im Allgemeinen nur in einigen Geräten eine einzelne Komponente. Dies kann entweder eine MOV- oder eine TVS-Diode sein. Für universelle 90-V-AC-264-V-AC-Leitungen beträgt die übliche MOV-Spannung 300 V rms.

Bei teuren Geräten und hohen Überspannungserwartungen, z. B. von der Stromleitung, müssen jedoch die Sicherheitsnormen und Richtlinien wie IEC 61000-4-5 beachtet werden, die die Standards für Wechselstromleitungen definieren stöße.

Beim Entwurf der Schaltung sollte der Spannungswert des Varistors mindestens 20 Prozent Sicherheitsmarge einschließen. Für ein 25-V-DC-System sollte der Varistor beispielsweise auf etwa 30 V ausgelegt sein. Es ist jedoch wichtig, den Spielraum nicht zu übertreiben, um einen großen Varistor und eine höhere Klemmspannung zu vermeiden. Außerdem muss das Überspannungsschutzgerät neben der Sicherung montiert werden.

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