Varistor: Schutz vor Überspannung - Funktion, Auswahl & Unterschiede zur Sicherung

Varistor ist ein elektronisches Bauelement, dessen Widerstand sich abhängig von der anliegenden Spannung verändert. Seine Hauptaufgabe ist es, elektrische Geräte vor kurzfristigen Spannungsspitzen zu schützen, die empfindliche Schaltungen und andere Komponenten beschädigen können.

Varistoren finden sich in Netzteilen, Netzfiltern, Haushaltsgeräten und Industrieanlagen. Im Folgenden erfahren Sie, wie dieser Baustein aufgebaut ist, weshalb er auf Überspannungen reagiert und worin er sich von einer herkömmlichen Sicherung unterscheidet.

Was ist ein Varistor und wofür wird er benötigt?

Ein Varistor ist ein nichtlinearer Widerstand, dessen Widerstandswert bei Überschreiten einer bestimmten Spannung stark abnimmt. Unter normalen Bedingungen beeinflusst er den Stromkreis kaum, da sein Widerstand sehr hoch ist.

Die Hauptfunktion des Varistors ist das Begrenzen von gefährlichen Spannungspulsen. Solche Impulse können durch das Schalten von Elektromotoren, das Abschalten induktiver Lasten, Blitzeinwirkungen oder andere transiente Vorgänge im Stromnetz entstehen.

Beispielsweise leitet der Varistor bei einem kurzen Überspannungsimpuls einen erheblichen Strom ab und begrenzt so die Spannung an der zu schützenden Elektronik. Dadurch sinkt das Risiko einer Beschädigung elektronischer Komponenten.

Typische Anwendungen für Varistoren:

• Netzteile - Schutz der Eingänge vor Überspannungsimpulsen
• Netzfilter - Begrenzung von Spannungsspitzen aus dem Stromnetz
• Haushaltsgeräte - Schutz der Steuerplatinen von Kühlschränken, Waschmaschinen und anderer Elektronik
• Industrielle Anlagen - Dämpfung von Überspannungen beim Schalten elektrischer Lasten

Ein Varistor ist jedoch nicht zur Spannungsstabilisierung oder für den Schutz vor langanhaltenden Überspannungen geeignet. Dauert die Überspannung zu lange an, kann der Baustein überhitzen und beschädigt werden.

Aufbau und Funktionsweise des Varistors

Aufbau und Prinzip

Die meisten modernen Varistoren bestehen aus Zinkoxid (ZnO) mit weiteren Metalloxiden. Das Material wird gepresst und gesintert, sodass ein keramisches Element entsteht, das mit einer Isolationsschicht überzogen und mit Metallanschlüssen versehen wird.

Charakteristisch ist die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie: Bei niedrigen Spannungen ist der Widerstand sehr hoch, es fließt lediglich ein geringer Leckstrom. Wird eine bestimmte Spannung überschritten, sinkt der Widerstand sprunghaft, und der Varistor lässt einen deutlich größeren Strom durch, wodurch das weitere Ansteigen der Spannung begrenzt wird.

Nach Abklingen des Impulses nimmt ein intakter Varistor wieder seinen hohen Widerstand ein. Diese Eigenschaft erlaubt wiederholte Reaktionen auf Überspannungen, wenngleich starke Impulse die Lebensdauer des Bauteils verkürzen können.

Wie schützt der Varistor vor Spannungsspitzen?

Im Wechselstromkreis wird der Varistor meist parallel zur Last geschaltet, etwa zwischen Phase und Neutralleiter am Eingang des Netzteils.

1. Normalbetrieb: Die Spannung liegt im zulässigen Bereich, der Widerstand des Varistors ist hoch.
2. Spannungsspitze: Die Spannung steigt plötzlich an, der Widerstand des Varistors sinkt drastisch.
3. Begrenzung: Durch den Varistor fließt ein Impulsstrom, die Spannung an der Last wird begrenzt.
4. Rückkehr zum Normalbetrieb: Nach dem Impuls steigt der Widerstand wieder an.

Wichtig: Ein Varistor schluckt Spannungsspitzen nicht spurlos. Ein Teil der Impulsenergie wird als Wärme abgegeben. Die Schutzwirkung hängt von den Bauteildaten und den Parametern des Stromkreises ab.

Außerdem hält der Varistor die Spannung nicht exakt konstant - die Begrenzungsspannung hängt von der Größe des Impulsstroms und den Eigenschaften des Bauteils ab.

Für den Schutz vor anhaltenden Netzspannungsabweichungen werden andere Geräte eingesetzt.

Mehr zu deren Aufbau und Möglichkeiten finden Sie im Artikel Spannungsstabilisatoren: Aufbau, Funktionsweise und Unterschiede zu USV.

Wichtige Kenngrößen und Kennzeichnung von Varistoren

Spannung, Strom und Impulsenergie

Bei der Auswahl eines Varistors sind verschiedene Parameter entscheidend für seine Schutzwirkung:

• Maximale Betriebsspannung: Die höchste Gleich- oder Effektivwechselspannung, bei der der Varistor dauerhaft betrieben werden kann, ohne dass der Leckstrom stark ansteigt.
• Varistorspannung: Die bei einem definierten Prüfstrom (meist 1 mA) gemessene Spannung - sie kennzeichnet den Beginn des nichtlinearen Verhaltens.
• Begrenzungsspannung: Die Spannung am Varistor beim Durchfluss eines bestimmten Impulsstroms.
• Maximaler Impulsstrom: Der Spitzenstrom, den das Bauteil bei einer festgelegten Impulsform aushält.
• Impulsenergie: Die Energiemenge (in Joule), die der Varistor unter Prüfbedingungen ableiten kann.

Je höher der zulässige Impulsstrom und die Energie, desto stärkere Belastungen verkraftet der Varistor. Ein zu hohes Betriebsspannungsrating kann jedoch die Schutzwirkung für empfindliche Elektronik beeinträchtigen.

Wie liest man die Kennzeichnung und wählt den passenden Varistor?

Die Gehäuse von Varistoren tragen alphanumerische Codes, die Informationen über Größe und elektrische Eigenschaften enthalten.

Beispiel: Die Kennzeichnung 14D471K bedeutet:

• 14 - Scheibendurchmesser ca. 14 mm
• D - Scheibenbauform
• 471 - Nenn-Varistorspannung 470 V
• K - Toleranz der Varistorspannung ±10 %

Die 470 V sind nicht die maximale Betriebsspannung oder die exakte Begrenzungsspannung. Für diesen Typ beträgt die zulässige Betriebsspannung typischerweise ca. 300 V AC - genaue Werte sind dem Datenblatt des Herstellers zu entnehmen.

Bei der Auswahl eines Varistors sollten Sie die Netzspannung, mögliche Dauerschwankungen, erwartete Impulse und die Eigenschaften der zu schützenden Elektronik berücksichtigen.

Für das 220-230-V-Netz reicht es nicht, nur auf die Spannungsangabe am Gehäuse zu achten. Prüfen Sie stets die zulässige Betriebsspannung, Begrenzungsspannung, Impulsfestigkeit und ggf. Anforderungen an den thermischen Schutz.

Unterschied zwischen Varistor und Sicherung

Sowohl Varistor als auch Sicherung schützen elektrische Geräte, sprechen aber auf unterschiedliche Gefahren an.

• Varistor: Begrenzt kurzfristige Überspannungen, indem er seinen Widerstand bei Spannungsanstieg reduziert. Nach dem Impuls kehrt er in den Normalzustand zurück.
• Sicherung: Schützt vor Überstrom: Wird der maximal zulässige Strom überschritten, schmilzt das Element und unterbricht dauerhaft den Stromkreis.

In elektronischen Geräten arbeiten beide Komponenten oft zusammen: Der Varistor begrenzt gefährliche Impulse, die Sicherung schaltet bei Überstrom ab - auch falls der Varistor durch einen Defekt einen Kurzschluss verursacht.

Eine herkömmliche Sicherung kann jedoch nicht immer verhindern, dass ein Varistor bei längerer Überspannung überhitzt. Deshalb werden in Netzschutzgeräten oft zusätzliche Thermosicherungen oder Varistoren mit integriertem Überhitzungsschutz eingesetzt.

Weitere Schutzmaßnahmen für elektrische Schaltungen finden Sie im Artikel Elektronische Sicherungen (eFuse): Einsatz und Funktionsweise.

Wie prüft man einen Varistor und erkennt Defekte?

Varistor mit dem Multimeter testen

Ein Varistor kann mit einem herkömmlichen Multimeter überprüft werden, allerdings lassen sich damit vor allem Kurzschlüsse oder grobe Schäden feststellen.

Vor der Prüfung das Gerät vollständig stromlos machen, von der Netzspannung trennen und Kondensatoren entladen. Am besten wird der Varistor zum Messen ausgelötet.

1. Gehäuse begutachten: Risse, Verfärbungen, Aufblähungen oder Brandspuren deuten auf Defekte hin.
2. Multimeter in Widerstandsmessung schalten.
3. Prüfspitzen an die Anschlüsse halten - Polung ist egal.
4. Wert ablesen: Ein intakter Netzvaristor zeigt meist sehr hohen Widerstand, oft außerhalb des Messbereichs.

Zeigt das Messgerät einen sehr niedrigen Widerstand, ist der Varistor höchstwahrscheinlich defekt (durchgeschlagen) und muss ersetzt werden.

Ein hoher Widerstand garantiert jedoch keine volle Funktionsfähigkeit, da ein Multimeter die Varistorspannung und Impulsbegrenzung nicht testet. Für eine präzise Diagnose ist Spezialmesstechnik erforderlich.

Warum brennt ein Varistor durch und wann muss er ersetzt werden?

Ein Varistor kann beschädigt werden, wenn der Impuls stärker ist als spezifiziert oder das Bauteil über längere Zeit erhöhter Spannung ausgesetzt ist.

Typische Ursachen für Ausfälle:

• Starke Impulsüberspannungen im Netz
• Häufige Spannungsspitzen, die das Bauteil allmählich schwächen
• Länger andauernde Überschreitung der zulässigen Betriebsspannung
• Falsche Auswahl bezüglich Spannung oder Impulsfestigkeit

Ein defekter Varistor kann einen Kurzschluss verursachen, seine Schutzwirkung verlieren oder zerstört werden. Bei Rissen im Gehäuse, Brandspuren oder gemessenem Kurzschluss ist ein Austausch erforderlich.

Der Ersatz-Varistor muss zu den ursprünglichen Spezifikationen passen (Betriebs- und Varistorspannung, zulässiger Impulsstrom und Energie). Eine Komponente mit ungeeigneten Werten kann gefährlich sein.

Elektrische Geräte mit defektem Varistor sollten nicht weiter betrieben oder der Varistor einfach entfernt werden. Reparaturen am Stromnetz sollten einem Fachmann überlassen werden.

Fazit

Ein Varistor schützt Elektronik zuverlässig vor kurzfristigen Überspannungen, indem er bei Spannungsspitzen seinen Widerstand massiv reduziert. Im Gegensatz zur Sicherung trennt er den Stromkreis nicht bei Überlast, sondern kann innerhalb seiner Spezifikation mehrfach ansprechen.

Bei der Auswahl sind die Betriebsspannung, die Begrenzungsspannung und die zulässige Impulsenergie entscheidend. Ist der Varistor beschädigt, muss er mit einem passenden Bauteil ersetzt werden - und die Ursache für den Defekt sollte geklärt werden.