Schutzfunkenstrecken gegen "Rückschlag" aus Netzfilterdrosseln

[Bastelbruder]

Neuerdings steht im Lager am Schraubstock eine nicht so kleine EMV-Drossel (36 kg) , die zu einem in nächster Zeit geplanten, ernsthaften Antriebssystem (16 MiB) dazugehört. Die Drossel ist Bestandteil des Netzfilters, keine Schaltdrossel.

Seit Jahrzehnten durfte ich sporadisch Erfahrung mit durch unscheinbar versteckten Joules, deshalb durchgeschlagenen Anschlußleitungen und auch preiswerterem Schrott wie Sicherungshaltern und in die Weite geflüchteten VDRs sammeln.

Hier vermisse ich den Pfad zur kontrollierten Entsorgung magnetisch gespeicherter Joules, bloß für den Fall daß irgendwo eine "so nicht geplante" Unterbrechung des Stromkreises stattfinden sollte ...
Im Katalog des Herstellers ist unter den vielen Sicherheitshinweisen dazu nichts erwähnt, im www scheine ich mich momentan auch total blöh(!)d anzustellen.

Aber wenn ich die Schrottkiste rumdrehe, finde ich auf Anhieb ein paar (teilweise etwas gefledderte) Platinen auf denen schon kleine EMV-Drosseln der 20 g -Klasse mit Funkenstrecken entschärft wurden.

kleines Laptop-Netzteil 19 V

aktuelles ATX-Standardnetzteil mit PFC

Hamsterkäfig

Mehrspannungs-Netzteileinschub
aus deutscher Fertigung 20 Jahre alt

Chinesische Wandwarze 12V 1 A

Gibts zu dem Thema irgendwelche (wissenschaftlichen) Dokus oder gar VDE-Vorschriften?

[Julez]

Ich hab das hier ergoogelt:
https://www.eevblog.com/2014/10/31/eevb ... spark-gap/
https://www.eevblog.com/forum/beginners ... -on-a-pcb/
https://www.pcbaaa.com/spark-gap/
https://ww1.microchip.com/downloads/en/ ... ue%205.pdf

[j.o.e]

Leider habe ich keinen Link sondern nur das Paper hier liegen. Ist wohl auch nicht direkt das, was Du suchst.

Gapped Arresters Revisited:
A Solution to Cascade Coordination

François D. Martzloff
National Institute of Standards and Technology
Gaithersburg MD 20899
f.martzloff@ieee.org

Arshad Mansoor and Kermit Phipps
Power Electronics Applications Center
Knoxville TN 37932

Reprinted, with permission, from IEEE Transactions PWRD-13 No.4, December 1998
(First presented as PE-114-PWRD-0-12-1997)

"Abstract - This>paper provides a brief perspective on how the
coordination of cascaded surge-protective devices (SPDs) has become
an issue. We propose an approach where the 'ancient' technology of
gapped arresters may well be the answer to the dilemma of the
incompatibility of a service-entrance SPD having relatively high
limiting voltage with the proliferation of built-in or plug-in SPDs
having relatively low limiting voltage inside the buildings. The
solution involves providing a gapped arrester at the service entrance
and gapless SPDs inside the building. An example is given of such a
combination, with experimental verification of the proposed solution
and computer modeling that allows a parametric evaluation of the
significant factors in any candidate combination of SPDs.
"

In einem Paper von CCI (siehe unten) habe ich noch gefunden:

"Air Gap – Construction is two conductive elements placed in close proximity with air
(atmosphere) in between. Spark over occurs when the air is ionized by a sufficient
voltage potential applied across the terminals – used in extremely high lightning risk
areas as the primary protection in a multi-stage TVSS device.
Key features are:
- Unpredictable turn-on and response characteristics.
- Very slow to fire or “spark-over”.
- Low capacitance.
- High-energy capability.
- Extremely high-energy dissipation.
- No follow-on current.
- Low leakage
"

Aber das steht mehr oder weniger schon auf den von Julez verlinkten Seiten auf eevblog. Dort wird sogar auf den Unterschied zwischen Luft und FR4 eingegangen.

Ich persönlich würde eher zu einem "Gasgefüllten Überspannungsableiter" tendieren. Leutron z.B. hat so was.

Als undefinierter Grobschutz mag eine PCB-Funkenstrecke gerade noch taugen, auch um den oberschlauen Kollegen ("Ja hättest Du halt ...") den Wind aus den Segeln zu nehmen.

Genau so wichtig wie das Schutzelement selbst ist, dass dies an der richtigen Stelle platziert ist. Aber das weißt du sicher schon.

-joe

//---
Circuit Components Inc.
2400 S Roosevelt Street
Tempe, Arizona 85282
Tel: 480-967-0624
Fax: 480-967-9385
e-mail: Info@cci-msc.com

[j.o.e]

Etwas amtlicher, wobei ich diesen Link nicht persönlich gesichtet habe:

IEEE Standard Test Specifications for Low-Voltage Air Gap Surge-Protective Devices (Excluding Valve and
Expulsion Type Devices), ANSI/IEEE C62.32- 1981.

-joe

[E_Tobi]

Mit dem Thema hatte ich mich vor einigen Jahren kurz beschäftigt. Es ging um Eingangsstufen die als Buck-Derivat ausgeführt waren - damit nicht von Haus aus in der Lage, Überspannungen in eine Kapazität zu entsorgen - und an Überspannungsereignissen gestorben sind.

Das Fazit das ich damals aus der Recherche mitgenommen habe: PCB-Funkenstrecken sind zu unkontrollierbar, um sie als effektive Maßnahme zum Energieabbau zu nutzen. (Edit: über Luftfeuchte, Verschmutzungsgrad, PCB-Material, Verschleiß)
Wenn Abbau, dann TVS, MOV oder gekapselte Funkenstrecke - wobei zumindest in meiner Praxis eher die ersteren beiden relevant sind.

Ich habe das Gefühl, dass die PCB-Funkenstrecken meist nur wegen "ich mach sie mal in den Footprint der Drossel, im Zweifelsfall schadets zumindest nicht" so weit verbreitet sind.
Würde auch ein wenig zu der Vielfalt der Ausführungen passen, die du im ersten Post zeigst...

[Bastelbruder]

Schonmal Dank für's Mitdenken, bloß beschreiben alle gefundenen Quellen den Schutz gegen surge aus der Ferne. So weit bin ich auch gekommen.
Ich hab die Überschrift etwas angepaßt.
Hier ist die Quelle lokal und ihre Heimtücke eindeutig bekannt, und es soll bloß verhindert werden daß ein durch ungeplante Events produzierter Hochspannungsimpuls zusätzliche Schäden verursacht. Fotos von Alerbilligst-Netzteilen zeigen, daß das Phänomen zumindest weltweit nicht völlig unbekannt ist.

Ein nicht unerwarteter Fehler äußert sich gern dadurch, daß beispielsweise der Regler eines Schaltnetzteils sich etwas "verschluckt" und natürlich im dafür dafür vorgesehenen Fall eine Netzsicherung versucht, durch Suizid ihrerseits, alle anderen potenziellen Opfer zu schützen. Eine Funkenstrecke kann die Sicherung durch Begrenzung der zusätzlichen Spannung unterstützen und weitere Schäden tatsächlich vermeiden. Wie bereits angedeutet, sind Durchschläge von Zuleitungen und Filterkondensatoren nicht ungewöhnlich aber vermeidbar, auch VDRs sind oft viel zu schwach weil sie bloß für unscheinbare Babyfürze auf der Netzleitung dimensioniert sind.

Gegen Blitzeinschläge ist kaum Kraut gewachsen, im Gegensatz zur Filterdrossel ist da aber auch die eigentliche Quelle nicht greifbar.
Gasgefüllte Surge-Arrester sind die von Weißkitteln approbierte Variante des Freileitungs-Blitzschutzglöckchens, mit Glimmlampen oder sich mit geringem Abstand kreuzenden Drähten hat man früher die Umgebung von Bildröhren geschützt, wo es immer wieder mal zu Überschlägen von ungeplanten Ladungsansammlungen kommt. Solche einfachen Funkenstrecken sind im Gegensatz zu abgeknipsten Drahtenden mit recht enger Toleranz herstellbar. Hauptsächlich in amerikanischen Geräten finden sich Spezialkondensatoren aka Gap-Kap, die sind aber auch bloß zur Ableitung sporadisch auftretender statischer Aufladung geeignet.

[ferdimh]

Normen aus der Ecke sind mir erst einmal nicht bekannt, meinen Lebensunterhalt verdiene ich allerdings auch mit sinusförmigen Problemen (Auch wenn der Abschaltvorgang der Drossel mit Kaoazität dran erstmal so eins ist).
Mir ist auch kein Versuch bekannt, die dort auftretenden Spannungen zu quantifizieren, auch wenn ein Versuchsaufbau (oder auch eine Simulation unter Berücksichtigung realistischer Parameter des Eisens) garnicht so schwer wäre.

Versuch einer Abschätzung:

Ich erwarte jedoch keine weltbewegenden Energiemengen. Im Gegentaktfall haben wir vielleicht 1 mH Induktivität, daraus würden bei der Stromaufnahme der gezeigten Netzteile vielleicht 0,5mJ folgen. Viel mehr Energie wird die Drossel auch im Fehlerfall nicht speichern können, weil sie ziemlich sicher in Sättigung geht.
Die dort vorhandenen Filter-Cs haben mindestens mal 100nF, und laden sich dann um zusätzliche 100V auf. Damit schafft man keinen Überschlag.

Im Gleichtaktfall haben wir schon mehr Induktivität, sagen wir 50mH in einer stromkompensierten Drossel. Die hier speicherbare Energiemenge ist aber durch die Sättigung stark begrenzt, bei 100mA dürfte Schluß sein. Also gehen da nur 0,25J rein.
Jetzt haben wir natürlich nur wenige nF Y-Kapazität, an 5 nF wären 1000V denkbar. Das muss das Boot eigentlich auch noch abkönnen.
Allerdings sind eingangsseitig oft keine Y-Kondensatoren vorhanden, da sie kaum (nach CISPR) messbare Filterwirkung liefern. Dann bleiben nur noch die pF Wicklungskapazität und der Verlustwiderstand des Kernmaterials übrig. Hier wird eine Berechnung sehr schwer, aber ein Versuch ist dann immer noch recht einfach.
Ebenso bleibt die Frage, ob der Zustand des Gerätes nach einem Gleichtaktfehler (also letzten Endes einem Durchschlag gegen PE) noch in einem Zustand ist, dass ein sinnvoller Weiterbetrieb möglich wäre.

Am Ende sind EMV und Esoterik weniger weit auseinander als mir lieb ist. Gerade die "Funkenstrecken" der Chinawandwarze sind ziemlich sicher vorhanden, aber unwirksam. Bei gegebenem Abstand wird immer eine Gleitentladung stattfinden, die die Platine sicher schädigen dürfte. Das gilt insbesondere auch, weil es auch eine zwischen (Schutz?)kleinspannung und Netz gibt, wo man DEFINITIV keinen Überschlag haben will.

Das ATX-Netzteil hat die Funkenstrecken auf der Gleichstromseite. Dort ist auf der einen Seite ein kräftiger Kondensator (selbst mit PFC sollten da 1-2µF rumstehen) und auf der anderen Seite eine Freilaufdiode in Brückengleichrichterform vorhanden. Dennoch wurden Funkenstrecken drübergebastelt.

Zur konkreten Anwendung mit etwas mehr Strom:
Hier wird die Problematik deutlich realer, zumindest in dem Fall, wo der eingangsseitige Kondensator so groß bemessen ist, dass er den Lichtbogen am ansprechenden Schutzorgan löscht, jedoch nicht den Spannungsanstieg ausreichend begrenzt.
Bei der Energiebetrachtung sollte man jedoch bedenken, dass diese Probleme nicht nur beim Abschalten von Entstördrosseln, sondern auch beim Abschalten jeder induktiven Last auftreten. Die Hersteller von Sicherungen sollten sich damit also eigentlich auskennen.
Eine Unterbrechung nach der Drossel wird stets an einer nicht dafür vorgesehenen Stelle passieren. Hier ist bei gegebener Leistung immer mit einem Lichtbogen zu rechnen, auch wenn die Induktivität gezähmt würde.
Die externe Speicherdrossel ("Kommutierungsdrossel" - in der Büchse sitzt vermutlich eine Thyristorbrücke) ist energetisch eigentlich noch problematischer, und sie könnte zusammen mit den Netzfilterkondensatoren auch eine schöne gedämpfte Schwingung verursachen.

Die Hersteller von den Werkzeugmaschinen die wir verwenden, haben hier keine Maßnahmen. Schäden sind mir nicht bekannt, obwohl wir schon einige etwas weniger geplante Abschaltvorgänge hatten, und bei einer Maschine auch empfindliche Elektronik direkt parallel hängt.

[TDI]

Das gilt insbesondere auch, weil es auch eine zwischen (Schutz?)kleinspannung und Netz gibt, wo man DEFINITIV keinen Überschlag haben will

Was passiert denn dann, wenn der DAU über den Teppich schlurfend zum in der Steckdose steckenden Netzteil latscht, nach dem Stecker des Kabels greift um es in sein Handlich zum Aufladen zu stecken und in dem Moment die statische Aufladung seines Zellhaufens über ebendiese Funkenstrecke entläd?
Hat man dann den ionisierten Kanal durch den das Netz unverzüglich zum Gegenschlag ausholt?

[Gernstel]

Die Funkenstrecke zündet, die DAU-Kapazität entlädt sich ins Netz, bis der Potentialunterschied annähernd Null ist, der Lichtbogen erlischt, das Netz polt um, die Netzspannung bleibt unter der Zündspannung der Funkenstrecke.

[ferdimh]

Das gilt insbesondere auch, weil es auch eine zwischen (Schutz?)kleinspannung und Netz gibt, wo man DEFINITIV keinen Überschlag haben will

Was passiert denn dann, wenn der DAU über den Teppich schlurfend zum in der Steckdose steckenden Netzteil latscht, nach dem Stecker des Kabels greift um es in sein Handlich zum Aufladen zu stecken und in dem Moment die statische Aufladung seines Zellhaufens über ebendiese Funkenstrecke entläd?

Die spannende Frage ist hier eher: ist die Chance davon geringer, wenn der Durchschlag durch diese Funkenstrecke passiert, oder wenn der Durchschlag im Trafo passiert?

Der Lichtbogen muss nicht nur erlöschen, er sollte auch keine leitende Spur hinterlassen!

Aber real ist das Szenario nicht, denn man bildet mit den Y-Kondensatoren einen Spannungsteiler. Hats da 2,2nF, ist die Spannung schon auf 1/10 reduziert, und daher vermutlich nicht mehr durchschlagswürdig.

[zauberkopf]

Das Problem ist doch eigentlich so ähnlich wie wir es haben, mit unseren Akkusystemen.
Nur umgekehrt..

Also bei unseren etwas leistungsfähigeren Akkupacks, gibt es ja das Problem, das die Last auch gerne ein Wechselrichter ist.
Der ziemlich niederohmige Elkos verbaut hat.
d.H. würde man den Akku so ohne weiteres drauf schalten, dann fließen sehr kurzzeitig Ströme im 4 oder mehr stelligen bereich.
Bis der Elko erst mal voll ist.
Merkt man an "Spratz".
Und der Spratz, schädigt Relais und Mosfets.
Deswegen gibt es bei ernsthaften Akkupacks sowas wie ne Vorladung.
d.H. erst wird der Wechselrichter über nen Widerstand (im Akku) in Reihe angeschlossen, und wenn man dann am ende des Widerstandes ungefähr Spannung wie das Zellenpack sieht, dann wird erst Relais/Mosfet zum Wechselrichter durchgeschaltet.

hmm....

Wenn ich mal versuche mein Hirn umzupolen.. dann läuft das auch wieder auf einen Widerstand hinaus.
ggf Widerstand + Widerstand & Kondensator.

[Roehricht]

Hallo,
dafür braucht man aber keine Funkenstrecken. Da wäre eher ein Thyristor oder ein Ansammlung von leistungs Mosfets mit Rds on um 1mOhm, welche irgendwelche Ladungsüberschüsse in einem passend ausgelegtem Widerstand entsorgt.
Ein passenden Thyristor der 2000A macht und Spitzenstroooom von 25kA habe ich irgendwo noch am rumoxidieren. Der Stammt aus einer S-Bahn.
Das ganze Problem wäre eine seeehr schnelle Spannungserkennung und Einschaltung des Thyristors/ Mosfet sowie ein gute gleichmässige Stromverteilung.

Gehts um Funkenstrecken für hohe Spannungen bieten sich als Baumaterial die Elektroden aus defekten Xenon Brennern an. Die sind aus Wolfram.

73
Wolfgang

[zauberkopf]

Daran habe ich auch kurz gedacht.. nur so schnell wie sich bei einer Spule die Spannung aufbaut, kannste gar nicht gucken..
Die Idee mit nem einfachsten Widerstand ist diese : Bei einer Drossel dieser Leistungsklasse fällt es kaum auf, wenn da ein sehr induktivitätsarmer Planar-Widerstand parallel ein paar xx Watt verheizt.
Im Fehlerfall macht die Drossel immer noch Spannungspitzen.. aber die sind dann begrenzt.
z.B. ist es ja schon hilfreich, wenn statt 40 000V nur noch 2000-4000V anliegen.
Und dann könnte auch ein VDR oder ähnliches noch den rest erledigen.

[ferdimh]

Daran habe ich auch kurz gedacht.. nur so schnell wie sich bei einer Spule die Spannung aufbaut, kannste gar nicht gucken..

Widerspruch!
Damit sich eine Spannung aufbauen kann, muss erstmal der Stromkreis unterbrochen werden. Das passiert ziemlich sicher an einem absichtlichen oder unabsichtlichen mechanischen Schalter. Dort brennt dann ohnehin ein Lichtbogen, der diese Energie problemarm entsorgen könnte.
Kritisch ist nur der Fall, wo die Spannung durch einen Kondensator verzögert aufgebaut wird, so dass der Lichtbogen erstmal gelöscht wird - und sich dann noch eine Spannung aufbaut. Dafür muss der Schaltvorgang aber durch einen Kondensator gedämpft sein. Dann ist der Spannungsanstieg aber nicht mehr schnell.
Unabhängig davon schaffen auch bei 100A schon wenige nF Anstiegsgeschwindigkeiten, die jemanden aus der HF-Welt nur langweilen.

[Alexander470815]

So eine Drossel ist ja auch keine perfekte Spule, die wird ja auch in sich schon ein bisschen Kapazität haben was die Geschwindigkeit der Anstiege begrenzt.