VDR – Varistor

Steckdosenleisten mit Überspannungsschutz, Netzteile, Waschmaschinen, Industriesteuerungen: Fast überall, wo ein Gerät am Stromnetz hängt, sitzt direkt hinter dem Netzanschluss eine flache, meist blaue Scheibe mit zwei Drähten. Das ist ein Varistor, ein spannungsabhängiger Widerstand (VDR, Voltage Dependent Resistor). Bei normaler Netzspannung ist er praktisch ein offener Kontakt. Kommt ein Spannungsstoß – vom Blitz in der Nähe, vom Abschalten eines großen Motors –, wird er schlagartig niederohmig und leitet die Energie ab, bevor sie das Gerät erreicht.

Aufbau und Funktionsweise

Moderne Varistoren sind Metalloxid-Varistoren (MOV). Ihr Körper ist eine gesinterte Keramik aus Zinkoxid mit kleinen Zusätzen anderer Metalloxide, etwa von Bismut, Kobalt und Mangan. Auf beiden Seiten der Scheibe ist eine Metallschicht aufgebracht, an die die Drähte gelötet sind.

Die Keramik besteht aus unzähligen leitfähigen Zinkoxidkörnern. An jeder Korngrenze bildet sich eine dünne Sperrschicht, die wie zwei gegeneinander geschaltete Dioden wirkt (vergleiche den pn-Übergang). Jede dieser Barrieren bricht bei etwa 3 V durch. Zwischen den Elektroden liegen viele Körner hintereinander; ihre Zahl – also die Dicke der Scheibe – bestimmt die Ansprechspannung. Die Fläche bestimmt, wie viel Strom und Energie der Varistor verkraftet.

Weil die Barrieren in beide Richtungen gleich wirken, ist die Kennlinie symmetrisch: Ein Varistor hat keine Polarität und schützt bei Gleich- und Wechselspannung.

Ältere Varistoren bestanden aus Siliziumkarbid. Sie hatten eine deutlich weichere Kennlinie und sind heute kaum noch zu finden.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist ein Widerstandsrechteck mit dem schrägen Knickstrich der abhängigen Widerstände und einem „U“ daneben – der Wert hängt von der Spannung ab (siehe Schaltzeichen). Auf Platinen trägt er meist die Kennung RV oder VDR.

Kennlinie

Die I-U-Kennlinie verläuft im Bereich der Betriebsspannung fast waagerecht auf der Spannungsachse – es fließen nur einige Mikroampere Leckstrom. Ab der Ansprechspannung knickt sie scharf ab und steigt fast senkrecht. Mathematisch beschreibt man das mit

wobei der Exponent α bei Zinkoxid-Varistoren zwischen etwa 20 und 50 liegt. Zum Vergleich: Ein ohmscher Widerstand hat α = 1.

Kennwerte

Am Beispiel des verbreiteten Scheibenvaristors S14K275 (14 mm Durchmesser) von TDK:

Der Stoßstrom ist für eine genormte Impulsform angegeben: 8/20 µs bedeutet 8 µs Anstieg bis zum Scheitel und 20 µs, bis er auf die Hälfte abgeklungen ist – die Form eines indirekten Blitzstroms.

Der Schutzpegel ist die eigentliche Zahl, mit der du rechnen musst: Bei einem kräftigen Impuls liegt am geschützten Gerät nicht die Varistorspannung von 430 V, sondern 700 V und mehr. Was dahinter hängt – Gleichrichter, Elko, Schalttransistor im Netzteil –, muss diese Spitze überstehen.

Bauformen

• Scheibenvaristoren mit 5 bis 20 mm Durchmesser, blau oder schwarz beschichtet, mit radialen Drähten. Je größer, desto mehr Stoßstrom und Energie.
• Blockvaristoren mit Schraub- oder Steckanschlüssen für Ströme von vielen Kiloampere, etwa in Verteilerschränken.
• Thermisch geschützte Varistoren mit eingebauter Temperatursicherung, die den Varistor abtrennt, wenn er durch Alterung überhitzt.
• SMD-Vielschichtvaristoren (MLV) in 0402 bis 1812 für kleine Spannungen, zum Beispiel als Schutz von Datenleitungen gegen ESD.

Typische Schaltungen

Der Klassiker ist der Netzeingang: Sicherung in der Zuleitung, dahinter der Varistor zwischen L und N. Bei einem Stoß leitet der Varistor; ist der Stoß zu lang oder zu stark, brennt die Sicherung durch und trennt das Gerät. Ohne Sicherung kann ein überlasteter Varistor in Brand geraten.

Weitere Anwendungen:

• Funkenlöschung an Kontakten: Ein Varistor parallel zu einer Relaisspule oder einem Schütz begrenzt die Abschaltspannung der Induktivität (siehe Spule an Gleichspannung und Induktion). Bei Gleichspannung tut das eine Freilaufdiode meist besser; bei Wechselspannung ist der Varistor die einfache Lösung.
• Grobschutz vor feinem Schutz: In Datenleitungen fängt ein Varistor oder Überspannungsableiter den großen Teil der Energie ab, eine TVS-Diode dahinter begrenzt präzise.
• Schutz in Kfz-Elektronik: Vielschichtvaristoren gegen Spannungsspitzen im Bordnetz.

Auswahl und Praxistipps

Für den Netzschutz wählst du zuerst die Dauerspannung mit Reserve: Bei 230 V Netz mit +10 % Toleranz sind es 253 V, also ein Typ mit 275 V. Dann Stoßstrom und Energie nach der erwarteten Belastung, zuletzt prüfst du, ob der Schutzpegel für die Bauteile dahinter passt.

Häufige Fehler:

• Dauerspannung zu knapp: Ein 250-V-Varistor am 230-V-Netz leitet bei Netzspitzen schon merklich, erwärmt sich und altert schnell.
• Alterung ignoriert: Jeder große Stoß verschiebt die Kennlinie ein wenig; Leckstrom und Erwärmung steigen. Ein Varistor ist ein Verschleißteil.
• Keine Sicherung davor: Ein gealterter Varistor kann thermisch durchgehen, kurzschließen und brennen.
• Kapazität vergessen: Einige hundert Pikofarad stören schnelle Datenleitungen. Dort sind TVS-Dioden mit kleiner Kapazität besser.
• Varistor als Spannungsstabilisierung: Dafür ist die Kennlinie viel zu ungenau; nimm eine Z-Diode oder einen Regler.

Selbsttest