Ein Blitz schlägt einige hundert Meter entfernt ein, und am nächsten Morgen ist der Router tot, die Telefonanlage auch. Der Blitz hat das Haus nicht getroffen, aber er hat in die Leitungen eine Spannungsspitze von einigen tausend Volt eingekoppelt, die nur Mikrosekunden dauerte. Solche Spitzen entstehen auch beim Abschalten von Motoren und Transformatoren oder wenn du einen Stecker mit aufgeladenem Körper berührst. Überspannungsableiter sind Bauteile, die bei normaler Spannung fast unsichtbar sind und erst bei einer Spitze schlagartig leitend werden. Sie lenken die Energie an der Schaltung vorbei nach Masse oder Erde.
Woher Überspannungen kommen
- Blitz: direkte oder nahe Einschläge koppeln in Netz-, Telefon-, Antennen- und Datenleitungen ein. Ströme von einigen Kiloampere sind möglich.
- Schalthandlungen: Beim Abschalten einer Induktivität entsteht eine hohe Spannungsspitze (siehe Spule an Gleichspannung). Im Netz reichen dafür Motoren, Schütze und Leuchtstofflampen.
- Elektrostatische Entladung: einige Kilovolt mit sehr steiler Flanke, aber wenig Energie (siehe ESD).
Für Prüfungen sind genormte Impulsformen festgelegt. Ein Stromimpuls 8/20 µs steigt in 8 µs an und ist nach 20 µs auf die Hälfte abgeklungen; er steht für den Strom einer indirekten Blitzeinkopplung. Der Spannungsimpuls 1,2/50 µs beschreibt die zugehörige Leerlaufspannung, der lange Impuls 10/1000 µs Störungen auf Telekommunikationsleitungen.
Die Ableiterfamilie im Überblick
Unter „Überspannungsableiter“ fallen mehrere Bauteile, die nach verschiedenen Prinzipien arbeiten:
| Bauteil | Prinzip | Ansprechzeit | Ableitstrom (8/20 µs) | Kapazität | Restspannung |
|---|---|---|---|---|---|
| Gasableiter (GDT) | Gasentladung | langsam (100 ns bis µs) | 5–20 kA | unter 2 pF | 10–20 V (Bogen) |
| Varistor | Zinkoxid-Körner | schnell (ns) | 0,1–10 kA und mehr | 100 pF bis nF | hoch, etwa 2–3 × Nennspannung |
| TVS-Diode | Lawinendurchbruch | sehr schnell (ps–ns) | einige 10 bis 100 A | 1 pF bis nF | niedrig, etwa 1,3–1,6 × Durchbruch |
| Ceradiode | Halbleiterkeramik | schnell | mittel | mittel | mittel |
Die Faustregel: Der Gasableiter verträgt die größten Ströme und stört Signale am wenigsten, reagiert aber spät und braucht hohe Zündspannungen. Die TVS-Diode ist schnell und begrenzt präzise, verträgt aber nur kleine Energien. Der Varistor liegt dazwischen.
Der Gasableiter
Der klassische Überspannungsableiter im engeren Sinn ist der Gasentladungsableiter, englisch Gas Discharge Tube (GDT). In einem kleinen Keramikröhrchen stehen sich zwei Metallelektroden mit einem Abstand von einigen Zehntel Millimetern gegenüber. Der Raum dazwischen ist mit einem Edelgas wie Argon oder Neon gefüllt, unter definiertem Druck. Die Elektroden sind oft mit einer Aktivierungsschicht versehen, die das Zünden erleichtert.
Solange die Spannung unter der Zündspannung bleibt, ist der Ableiter praktisch ein offener Schalter: mehr als 1 GΩ Isolationswiderstand, unter 1 pF Kapazität. Steigt die Spannung über die Zündspannung, ionisiert das Gas. Zuerst entsteht eine Glimmentladung mit etwa 70 bis 200 V, bei größerem Strom springt sie in eine Bogenentladung mit nur noch 10 bis 20 V. Jetzt leitet der Ableiter Kiloampere, ohne Schaden zu nehmen, und die Spannung an der Schaltung bleibt klein.
Das Schaltzeichen zeigt zwei Elektroden, die sich in einem Kreis gegenüberstehen; ein Punkt kennzeichnet die Gasfüllung. Dreipolige Ableiter haben eine gemeinsame Mittelelektrode und schützen beide Adern einer Leitung gleichzeitig gegen Erde. Mehr Symbole unter Schaltzeichen.
Zündspannung hängt von der Flankensteilheit ab. Das Gas braucht Zeit, um zu ionisieren. Bei langsam ansteigender Spannung (100 V/s) zündet ein 90-V-Ableiter wie der Bourns 2027-09 bei 90 V ±20 %. Bei einem steilen Impuls von 100 V/µs steigt die Spannung bis zur Zündung aber auf bis zu 500–600 V. Diese Spitze erreicht die Schaltung dahinter, bevor der Ableiter leitet.
Netzfolgestrom: die Falle beim Gasableiter
Ist der Bogen einmal gezündet, hält er sich, solange die Quelle mehr als die Bogenspannung und genug Strom liefert. Bei einer Signalleitung ist das kein Problem: Der Impuls ist vorbei, der Strom bricht zusammen, der Bogen erlischt. Liegt der Ableiter aber direkt an einer Versorgung, kann diese nach dem Impuls einfach weiter Strom durch den Bogen treiben – der sogenannte Folgestrom.
Am Wechselstromnetz kommt der Bogen beim Nulldurchgang zwar kurz zum Erliegen, zündet aber bei der nächsten Halbwelle oft neu. Auch hier gilt: nie einen Gasableiter allein zwischen Außenleiter und Neutralleiter.
Gestaffelter Schutz
In Industrie- und Telekommunikationsgeräten kombiniert man die Bauteile. Ein Gasableiter direkt am Eingang nimmt die große Energie auf, eine TVS-Diode an der Schaltung begrenzt präzise. Dazwischen liegt eine Entkopplungsimpedanz, meist ein Widerstand oder eine kleine Spule. Sie sorgt dafür, dass die TVS-Diode nicht die ganze Energie abbekommt, sondern die Spannung am Gasableiter so weit ansteigt, dass er zündet.
Überspannungsschutz in der Hausinstallation
In der Elektroinstallation spricht man von Überspannungsschutzgeräten (SPD) in drei Stufen: Typ 1 als Blitzstromableiter am Hausanschluss, Typ 2 im Verteiler und Typ 3 als Geräteschutz nahe am Verbraucher, etwa in einer Steckdosenleiste. Typ 1 und 2 enthalten meist Funkenstrecken oder Varistoren mit Abtrennvorrichtung, Typ 3 meist Varistoren. Einbau und Auswahl gehören in die Hand einer Elektrofachkraft; die Grundlagen der Schutzmaßnahmen stehen unter Schutzmaßnahmen.
Bauformen
Gasableiter gibt es als zweipolige Röhrchen mit Drähten oder ohne Anschlüsse zum Einklemmen, als dreipolige Ausführung und als SMD-Bauteil. Zündspannungen reichen von etwa 75 V bis mehrere Kilovolt. Varistoren sind meist blaue oder rote Scheiben, TVS-Dioden kleine SMD-Gehäuse wie SMA, SMB und SMC.
Auswahl und Praxistipps
Wähle die Ansprechspannung so, dass der Ableiter bei der höchsten Betriebsspannung samt Toleranz sicher nicht anspricht – beim Gasableiter mit ±20 % Streuung reichlich Abstand. Prüfe dann, wie hoch die Spannung im Fehlerfall an der geschützten Schaltung steigt, und ob die Schaltung das kurz aushält.
Häufige Fehler:
- Gasableiter direkt an der Versorgung: Folgestrom, Kurzschluss, Brandgefahr.
- Ableiter ohne Weg zur Erde: Ein Ableiter leitet die Energie nur dorthin ab, wo eine niederohmige Verbindung besteht. Lange, dünne Masseleitungen machen ihn wirkungslos.
- Lange Leitungen zum Ableiter: Jeder Zentimeter Leitung hat Induktivität. Bei steilen Impulsen fallen daran schnell einige zehn Volt ab. Ableiter direkt an den Stecker, Masseverbindung kurz und breit.
- Gealterte Varistoren: Varistoren verlieren mit jedem großen Impuls etwas Fähigkeit und können am Ende überhitzen. In Netzanwendungen gehört eine Sicherung oder Thermoabtrennung davor (siehe Sicherung).
- Kapazität übersehen: Ein Varistor mit 1 nF an einer schnellen Datenleitung verschleift die Signale; dort nimmst du Gasableiter oder TVS-Dioden mit kleiner Kapazität.
Selbsttest
Warum ist ein Gasableiter allein kein vollständiger Schutz für Elektronik?
Er zündet bei steilen Impulsen erst bei einigen hundert Volt; diese Spitze erreicht die Schaltung, bevor er leitet.
Was ist der Netzfolgestrom?
Der Strom, den die Versorgung nach dem Impuls weiter durch den gezündeten Bogen treibt, weil ihre Spannung über der Bogenspannung liegt.
Wozu dient der Widerstand zwischen Gasableiter und TVS-Diode?
Er entkoppelt die beiden: Die Spannung am Eingang kann bis zur Zündung des Gasableiters steigen, während der Strom durch die TVS-Diode begrenzt bleibt.
Welcher Ableiter eignet sich für eine schnelle Datenleitung?
Einer mit kleiner Kapazität: Gasableiter oder TVS-Diode mit niedriger Kapazität, kein großer Varistor.
Eine TVS-Diode begrenzt auf 30 V und verträgt 10 A; der Gasableiter zündet spätestens bei 500 V. Welcher Entkopplungswiderstand?
R ≥ (500 V − 30 V) / 10 A = 47 Ω.