Schutzschaltungen

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Schutzschaltungen werden eingesetzt, um existierende Schaltungen vor schädlichen äußeren Einflüssen oder vor Bedienungsfehlern im Umgand mit ihnen zu bewahren:

• Ein Verpolungsschutz wird in der Spannungsversorgung eines Verbrauchers (Gerätes) eingesetzt. Die Schutzschaltung verhindert entweder die falsche Polarität oder begrenzt den durch diese Verpolung entstehenden Schaden.
• Ein Kurzschlußschutz wird üblicherweise am Ausgang von Spannungsquellen verwendet. Diese Schutzschaltung soll eine Schädigung der Regelungselektronik durch einen anliegenden äußeren Kurzschluß verhindern.
• Überspannungsschutzschaltungen sind meist an Eingängen von Schaltungen zu finden, die nicht der Spannungsversorgung dienen; aber auch in Netzteilen für unterschiedliche Spannungen sind sie gelegentlich zu finden. Die bekannteste Überspannungsschutzschaltung ist der Blitzschutz in Antennenzuleitungen.

Eine vorhandene Schutzschaltung soll entweder eine Schädigung vollständig verhindern oder, wenn dies nicht möglich ist, den entstehenden Schaden begrenzen.

Verpolungsschutz

Verpolungsschutz mit Dioden

Einfacher Verpolungsschutz mit Diode

• Variante 1: Eine Diode wird in Reihe mit der Versorgungsspannung geschaltet.
  • Funktion: Bei Verpolung sperrt die Diode, der Verbraucher erhält keinen Strom.
  • Vorteil: Nur eine Diode.
  • Nachteil: Für die Diode müssen Verlustleistung, Spannungsabfall sowie Durchlaßstrom beachtet werden.

Verpolungsschutz mit Diode und Sicherung

• Variante 2: Eine Diode wird antiparallel zur Versorgungsspannung geschaltet, zusätzlich wird eine Sicherung in die Zuleitung eingefügt.
  • Funktion: Bei Verpolung schließt die Diode die Versorgungsspannung kurz. Die Sicherung spricht an und verhindert den echten Kurzschluss sowie das Durchbrennen der Diode.
  • Vorteil: Bei korrekter Polung hat die Schutzschaltung keinen Einfluß auf den Rest der Schaltung.
  • Nachteil: Bei Verwendung von normalen Sicherungen ist nach einer Verpolung ein Wechsel notwendig.

Verpolungsschutz mit TVS und Sicherung

• Varinate 2b: wie Variante 2, nur statt einer normalen Diode wird ein unipolarer Überspannungsschutz (engl.: transient voltage suppressor TVS; z.B. 1.5KE12A) benutzt.
  • Vorteil: bietet zusätzlichen Schutz vor zu hoher Spannung.
  • Nachteil: teurer als normale Diode

Verpolungsschutz mit MOSFETs

Für den Verpolungsschutz mit einem MOSFET wird der FET in der Schaltung anders als sonst üblich benutzt, also beim n-Kanal-FET mit Drain zur negativen Seite der Spannungsquelle. Anfangs fließt der Strom über die interne Diode im MOSFET. Wenn etwa 2..4 V erreicht sind, leitet dann zusätzlich der eigentliche MOSFET.

Verpolungsschutz mit p-MOSFET

• Variante 1: p-Kanal-MOSFET in Reihe mit der positiven Spannungsversorgung
  • Vorteil: sehr geringer Spannungsabfall, Überspannung kann zur Quelle abgleitet werden
  • Nachteil: Mindestspannung ca. 4 V, mit Logic-Level-FETs ca. 2 V.
  • Nachteil: Ein Elko in der Schaltung bietet keinen Schutz vor Spannungseinbrüchen auf der Versorgungsseite.
  • Nachteil: Etwas Stromverbrauch (z.B. 0,1 mA) bei Spannungen über etwa 20 V.
  • Nachteil: Oft teurer als Diodenlösung.
  • Nachteil: Logic-Level-FETs selten, oft teurer als n-MOSFET

Verpolungsschutz mit n-MOSFET

• Variante 2: n-Kanal-MOSFET in Reihe mit der negativen Spannungsversorgung (GND)
  • Vorteil: wie Variante 1
  • Nachteile: wie Variante 1

Reale Schaltung für einen Verpolungsschutz mit einem n-MOSFET. Für Spannungen, die sicher unter etwa 20 V liegen (maximale Gate-Source-Spannung), kann man auf die Diode, Zenerdiode und den Widerstand verzichten.

Verpolungsschutz mit anderen Bauteilen

• Variante 1: Vorgeschalteter Brückengleichrichter.
  • Funktion: siehe Gleichrichter
  • Vorteil: Es liegt immer die richtige Polarität am Verbraucher an, auch wenn beim Anschluss die Leitungen vertauscht werden.
  • Vorteil: Verträgt auch Wechselspannung.
  • Nachteil: Spannungsabfall (ca. 1.4 V) und Verlustleistung am Brückengleichrichter
  • Nachteil: Schaltungsmasse (GND) ist um 0,7V potentialverschoben zu der Versorgungsspannung.

Verpolungsschutz mit Relais

• Variante 2: Relais schaltet mit Hilfe einer Diode die Versorgungsspannung zum Verbraucher.
  • Vorteil: Kaum Spannungsabfall an den Schaltkontakten.
  • Nachteile: Zusätzliche Verlustleistung in der Relaisspule. Durch Trägheit des Relais kein Schutz vor Pulsen mit falscher Polung.

• Variante 3: Ähnlich wie mit MOSFET, aber mit normalem Transistor
  • Vorteile: für Spannungen ab ca. 1 V möglich, kleiner Spannungsabfall (<100mV), ggf. auch als Strombegrenzung
  • Nachteile: Stromverbrauch (Basistrom), Schutz nur bis etwa 5V, ggf. etwas Leckstrom

• Variante 4: Spannungsregler mit integriertem Verpolungsschutz (z.B. LM2931)
  • Vorteile: keine extra Bauteile
  • Nachteile: nur wenige, eher teure Regeler bieten diese Funktion, Elko vor dem Regler ist nicht geschützt

Überspannungsschutz

ESD Schutz

Ein spezieller Fall von Überspannung sind elektrostatische Entladungen. Vor allem durch Reibungselektrizität können sich Personen, Werkzeuge und Geräte elektrisch aufladen. Die Spannungen können dabei ziehmlich hoch (bis über 10 kV) sein, aber die Kapazität ist relativ klein (z.B. 100 pF). Wenn man stark geladen ist, kann man das Teils schmerzhaft spüren, wenn man einen geerdeten Gegenstand berührt. Wenn statt dessen eine Schaltung berührt wird, fließt kurzzeitig ein hoher Strom, der eine ungeschützte Schaltung schädigen kann. Strom und Spannung sind zwar recht groß, aber der Strompuls ist sehr kurz und die Energie entsprechend eher klein.

Der einfachste, aber nicht immer ausreichende, Schutz sind Dioden von den Eingängen nach GND und VCC, so dass die Dioden normalerweise sperren. Die meisten ICs haben einen derartigen Schutz. Die Ladung aus der ESD wird einfach in die Entkoppelkondesatoren zwischen VCC und GND geschickt. Gerade bei den AVR Controllern sind die internen Dioden aber relativ schwach.

Für stärker gefärdete Eingänge werden zusätzlich Varistoren, Zenerdioden oder ähnliches verwendet. Dabei ist es wichtig wo der Strom fließt, denn bei den kurzen Pulsen ist die Induktivität von Leiterbahnen nicht zu vernachlässigen. Der extra Schutz sollte direkt am Stecker oder Kabel sein, und zur eigentlichen Schaltung sollte noch ein Widerstand oder ähnliches sein. Damit hat man 2 Schutzstufen: ein Varistor am Stecker kann die Spannung auf z.B. 55 V begrenzen. Durch einen Widerstand von z.B. 10 K fließen dann noch etwa 5 mA über die IC interne Schutzdiode nach GND oder VCC.

ESD Schutz beim Bau der Schaltung

Solange man die Schaltung zusammenbaut, hat man nur einen minimalen ESD Schutz der ggf. direkt in ICs eingebaut ist. Auch Entadungen die man noch nicht spühren kann können dabei schon Bauteile beschädigen, auch wenn der Schaden oft nicht gleich zu einem Totalausfall führt.

Man solle also dafür sorgen, daß man sich nicht zu sehr aufläd, und die Ladungen nicht gerade über die Empfindlichen Bauteile abfließen. Für Hobbyanwendungen reichen oft ein paar einfache Dinge:

Kurzschlußschutz

für kleine Leistungen (z.B. Controllerausgänge)

Die Ausgänge vieler µCs und CMOS Logicschaltungen sind kurzzeitig kurzschlußfest, weil nur ein begrenzter Strom von z.B. 50 mA fließen kann. Auf längere Zeit kann das aber zu viel sein. Der einfachste Schutz ist ein Serienwiderstand, der den Strom begrenzt. Für ein 5 V System reichen z.B. 250 Ohm, um den Kurzschlußstrom auf 20 mA zu begrenzen.

für mittlere Leistungen (z.B. Netzteile)

Kleine Transformatoren bis etwa 2-3 VA sind kurzschlußfest, einfach durch den relativ großen Widerstand der Windungen.

Zur Begrenzung von Schäden ist bei vielen Trafos eine Übertemperatursicherung mit im Trafo vergossen. Schmelzsicherungen auf der Netzseite dienen vor allem der Verhinderung großer Schäden durch Feuer oder einen Stromschlag falls der Trafo durchbrennt. Sicherungen auf der Sekundärseite sind mehr ein Schutz für den Trafo selber und die Schaltung dahinter. Neben Schmelzsicherungen gibt es für Spannungen bis etwa 40 V auch selbstrückstellen PTC Elemente (z.B. Polyfuse).

Für Netzteile zum experimentieren oder Labornetzteile ist es sinnvoll, wenn ein Kurzschluß keinen Schaden erzeugt. Dies wird erreicht indem zusätzlich der maximale Strom elektronisch begrenzt wird. Die einfachen Festspannungsregler (z.B. 78xx) haben schon eine solche Strombegrenzung und oft auch eine zusätzliche Abschaltung über die Temperatur des Reglers.

Akkus können kurzeitig sehr hohe Ströme liefern und entsprechend sollte auch hier an einen Kurzschlußschutz, z.B. mit einer Schmelzsicherung, gedacht werden.

Anmerkungen

Der Autor möchte hier weder die an anderen Stellen zu findenden Formelsammlungen wiedergeben, noch mit diesem Artikel ein Fachbuch ersetzten. Einzig die Grundlagen, die (aus eigener Erfahrung) für einen Hobby-Bastler von Interesse sind, sollen hier dargestellt werden.

Links

Verpolungsschutz mit MOSFETS (englisch) ... Entweder funtioniert der Link nicht oder ist extrem langsam (williwilli - 21.10.2009) Littlefuse: Herstellerseite für Überspannungschutzelemente Auch einige gute Erklärungen für ESD Schutz.

Autor

--Williwilli 14:54, 11. Dez 2008 (CET)