Informationstechnische Systeme werden nicht nur immer kleiner und empfindlicher sondern auch immer wichtiger für den täglichen Ablauf. Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt ist deshalb die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit). Blitzströme, Überspannungen und elektromagnetische Felder sind Störquellen, die beherrscht werden müssen.

Die in der modernen Informationstechnik für den Überspannungsschutz eingesetzten Schutzelemente sind meist aus Dioden, Varistoren und Gasentladungsableitern aufgebaut. Es werden dabei verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt (z.B. Durchbruchseffekte in Halbleitern und die Gasentladung). Oft müssen mehrere Bauelemente im Verbund eingesetzt werden, um die geforderte Schutzwirkung zu erbringen. Leistungsanforderungen an Überspannungsschutzeinrichtungen und Prüfverfahren für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken werden in der Norm IEC 61643-21 (DIN VDE 0845 Teil 3-1) [1] definiert. Weitere Empfehlungen werden in der DIN EN 61643-22 (CLC/TS 61643-22) [2] und auch in der DIN EN 62305 [3] gegeben. Hinweise zur energetischen Koordination von Überspannungsschutzgeräten sind in diesen Standards ebenso zu finden wie Angaben zu möglichen leitungsgebundenen Störgrößen die durch ein Überspannungsschutzgerät zu beherrschen sind.

Grundsätzlich bedeutet Überspannungsschutz das Schützen elektronischer Systeme oder Geräte gegen transiente Spannungen und den damit verbundenen Strömen, die außerhalb der Grenzen des sicheren Funktionierens des elektronischen Systems oder Gerätes liegen. Die Ursachen dieser Überspannungen können vielfältig sein, z.B. Blitzentladungen, energietechnische Schalthandlungen oder elektrostatische Entladungen. Eine der energiereichsten Störquellen ist der Blitz, mit Spannungen im MV-Bereich und Strömen von mehr als 100 kA. Bei direkten Blitzeinschlägen werden die Überspannungen galvanisch in das System eingekoppelt und breiten sich entlang der Leitungen aus. Sie überschlagen häufig sogar Isolierstrecken und expandieren über alle Verbindungen. Blitze erzeugen zudem transiente magnetische Felder, die ihrerseits in Datenleitungen hohe Spannungen von einigen Zehn Kilovolt induzieren.

Trifft ein Blitz die Erde oder wird dahin abgeleitet, kann eine Anhebung des Erdpotentials von einigen 100 kV die Folge sein. Das entstehende elektrische Feld koppelt kapazitiv in horizontal verlaufende Kabel ein und verursacht zerstörerische Spannungen und Ströme [4]. Bei direkten Blitzeinschlägen in informationstechnische Leitungen ist davon auszugehen, dass die Leitungsisolierung durchschlagen wird und sich der Blitzstrom in beide Richtungen aufteilt. In der DIN EN 62305-1 [3] sind exemplarisch Stoßströme aufgeführt, die u.a. in Telekommunikationsleitungen zum fließen kommen können.

Konventioneller Überspannungsschutz

Der konventionelle Überspannungsschutz für Kommunikations- und Datenübertragungssysteme entsprechend IEC 61643-22 [2] besteht in der Regel aus einer mehrstufigen Parallelschaltung von unterschiedlichen Bauelementen zur Begrenzung der Spannungen. In der ersten Stufe wird ein Bauelement benötigt, das die hohe Energie einer transienten Überspannung ableiten kann. Dazu werden in der Informationstechnik vor allem Gasentladungsableiter eingesetzt. Gasentladungsableiter (GA) sind relativ kostengünstig, sehr zuverlässig und optimal geeignet, die Impulsenergie des Blitzteilstroms von einigen Zehn Kiloampere abzuführen. Physikalisch bedingt weisen Sie jedoch eine mit Halbleitern wie z.B. Varistoren verglichen, deutlich längere Ansprechzeit auf. Zudem benötigen Gasentladungsableiter eine hohe Zündspannung. Daraus resultiert eine zu hohe Restspannung, die auf nachgeordnete elektronische Bauelemente zerstörend wirken kann.

Varistoren dagegen reagieren vergleichsweise schnell. Sie können jedoch nicht so hohe Impulsenergien ableiten wie Gasentladungsableiter und besitzen zudem relativ große parasitäre Kapazitäten. Bei Ableitern der Informationstechnik sind genau diese Parasitärkapazitäten unerwünscht, da sie die hochfrequente Datenübertragung stark beeinträchtigen können. Varistoren werden häufig in der zweiten Stufe von Überspannungsschutzgeräten verwendet, da sie die Restspannung besser als Gasentladungsableiter begrenzen.

Einen noch geringeren Schutzpegel erreichen siliziumbasierende Schaltkreise. Im Überspannungsschutz werden häufig Suppressor-Dioden, Avalanche-Dioden oder Thyristoren verwendet. Diese schalten sehr schnell und begrenzen die Überspannung auf sehr kleine Schutzpegel. Damit sind sie für den Feinschutz speziell in elektronischen Systemen prädestiniert. Aber auch diese Halbleiter besitzen relativ hohe Parasitärkapazitäten. Es besteht jedoch die Möglichkeit diese Kapazitäten zu reduzieren, indem weitere Dioden in Reihe geschaltet werden. Denn eine Reihenschaltung von Dioden wirkt den Parasitärkapazitäten entgegen, da die resultierende Kapazität Cges immer geringer als die kleinste Einzelkapazität ist.

Als elektronisches Bauteil ist jedoch auch die Diode selbst sehr anfällig. Ihr Innenwiderstand ist sehr klein, so dass die mit den Überspannungen verbundenen hohen Ströme die Diode zerstören können. Deshalb muss bei der Entwicklung von Überspannungsschutzgeräten auf die richtige Koordination zwischen den einzelnen Schutzstufen geachtet werden. Bei kleinen Überspannungen spricht zuerst die Diode an. Werden die damit verbundenen Ströme jedoch größer, so muss vor der Überlastung der Diode die vorgeschaltete Schutzstufe den Strom rechtzeitig reduzieren. Beispielsweise soll in einer zweistufigen Schutzschaltung ein Gasentladungsableiter mit einer Suppressor-Diode koordiniert werden. Das Problem besteht darin, dass die nachrangige Schutzstufe, in diesem Fall die Diode, bereits die Impulsenergie ableitet und die vorgelagerte Schutzstufe somit keine Überspannung registriert. Gasentladungsableiter benötigen jedoch eine gewisse Zündspannung, um überhaupt in den leitenden Zustand zu gelangen und die nachgeschaltete Diode schützen zu können.

Um diese komplexe Herausforderung der Koordination zwischen den Schutzstufen lösen zu können, werden Serienimpedanzen eingesetzt. Dabei ist die Serienimpedanz derart zu bemessen, dass noch vor erreichen der maximalen Energieabsorption der Diode und dem Spannungsfall über der Serienimpedanz die Zündspannung des vorgelagerten Schutzelements erreicht wird.

Somit ist der Arbeitsablauf der Bauelemente festgelegt: Die Diode beginnt bei ansteigender Spannung abzuleiten. Bei weiter steigender Spannung zündet rechtzeitig, vor der Überlastung der Diode, der Gasentladungsableiter.

Als Serienimpedanz werden am einfachsten ohmsche Widerstände verwendet. Sie erzeugen den notwendigen Spannungsfall zur Koordination zwischen den Schutzstufen. Große ohmsche Widerstände haben jedoch den Nachteil, erhebliche Leistungsverluste auf den Datenübertragungspfad zu verursachen, was in einigen Fällen inakzeptabel ist. In diesen Fällen können Induktivitäten oder Kapazitäten besser geeignet sein. Diese beiden Impedanzen sind jedoch frequenzabhängig. Gerade bei der Datenübertragung ist das ein zu beachtender Aspekt, der die Auslegung der energetischen Koordination nicht gerade vereinfacht. Eine weitere Möglichkeit zur Koordination bieten nichtlineare Widerstände (z.B. PTC Widerstand - Positive Temperature Coefficient). Ein PTC ist im Wesentlichen ein ohmscher Widerstand der bei niedrigen Temperaturen den Strom besser leitet als bei höheren Temperaturen. Stehen nun infolge einer Überspannung hohe Ströme eine gewisse Zeit an, so erwärmt sich der PTC-Widerstand und geht in den hochohmigen Zustand über. Die steigende Spannung über dem PTC unterstützt die Triggerung des vorgeschalteten Schutzelements zusätzlich. Der PTC wäre das ideale Bauelement zur Koordination zwischen den Ableiterstufen, wenn die Widerstandsänderung schneller und der Widerstand im Ruhezustand noch geringer wäre.