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Ein effektiver Schutz vor Überspannungsschäden

Bei Varistoren handelt es sich um elektrische Bauelemente, die sich dadurch auszeichnen, dass sie einen Widerstand aufweisen, der von der elektrischen Spannung abhängt. Deshalb werden diese Elemente auch verbaut, um empfindliche Schaltungen vor einem eventuellen Überspannungsschaden zu schützen.

Hergestellt werden diese Elemente aus gesintertem Zinkoxid. Der Grund: Zwischen den Zinkoxidkörnern bilden sich Sperrschichten in Form von Parallel- und Serienschaltungen. Diese reagieren dann darauf, wenn die Spannung einen kritischen Wert überschreitet. Eingesetzt werden kann ein Varistor bei Stromwerten zwischen 20 und 70.000 Ampere, wobei er Spitzenstromwerte zwischen 0,01 und 10.000 Joule problemlos bewältigt.

Warum kann es zu einer Überspannung kommen?

Es gibt mehrere Gründe, warum in empfindlichen Schaltkreisen kurzzeitig eine Überspannung entstehen kann. Häufig handelt es sich um eine der folgenden Ursachen:

  • Auch wenn es nicht zu einem unmittelbaren Einschlag kommt, so entsteht durch einen Blitzschlag doch ein sehr starkes Magnetfeld, welches in elektrischen Leitungen hohe Transienten auslöst, und das selbst in großen Entfernungen.
  • Werden induktive Lasten geschaltet, entstehen dadurch hochenergetische Transienten, welche die Lasten erhöht. Wird eine induktive Last nun abgeschaltet, wird dadurch elektrische Energie erzeugt. Dies kann sowohl in Transformatoren, als auch in Relais, Motoren und Generatoren geschehen.
  • Bei einer Elektrostatischen Entladung steigt die Spannung sehr rasch auf einen hohen Wert an. Das liegt daran, dass die positive und die negative Ladung zwischen zwei Objekten in einem Ungleichgewicht sind.

Wie sind Varistoren aufgebaut?

Für die Herstellung von Varistoren wird hauptsächlich Zinkoxid verwendet, welchem aber auch andere Metalloxide beigemischt sein können. Dieses Metallpulver wird dann in Form von Tabletten gepresst, bevor es gesintert wird. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Veränderung von Werkstoffen bei erhöhten Temperaturen und Druck. Auf zwei Seiten des Rohlings wird dann Aluminium oder Silber aufgebracht, bevor dort Anschlüsse angebracht werden.

Durch dieses spezielle Herstellungsverfahren entsteht eine kristalline Mikrostruktur. Diese macht es möglich, hohe Mengen an Energie abzuführen. Und genau diese Eigenschaft ist auch der Grund dafür, dass sich diese Elemente eignen, um in Wechselstromanwendungen hochenergetische Transitien abzuleiten.

Allerdings kommt es stark darauf an, für die jeweiligen Anwendung auch den richtigen Varistor zu finden. Dafür ist es notwendig, dass der Entwickler zunächst einmal die Betriebsparameter für die jeweilige Schaltung bestimmt. Dazu gehören unter anderem die Stromkreisbedingungen, aber auch die Frage, wie viele Überspannungen der Varistor tolerieren können muss.

Damit die Nennleistung des Varistors zuverlässig bestimmt werden kann, sollte zudem ein Puffer in Höhe von 20 Prozent nach oben einkalkuliert sein. Damit sollte das Anschwellen der Spannung ausreichend berücksichtigt sein.

Warum ist eine Überspannung gefährlich?

Bei einer Überspannung wird die sogenannte Nennspannung in einem elektrischen System überschritten. Das kann wiederum dazu führen, dass einzelne Bauelemente zerstört werden und es deshalb zu Fehlern oder Störungen kommt. Besteht die Überspannung über einen längeren Zeitraum hinweg, besteht sogar die Wahrscheinlichkeit, dass die gesamte Anlage komplett ausfällt.