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 relativ hoch werden (bis über 10 kV), die Kapazität des menschlichen Körpers ist jedoch sehr klein (ca. 100 pF). Wenn man stark aufgeladen ist, kann man dies teilweise 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 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 eingebaut. Die Ladung aus der ESD wird dabei in die Entkoppelkondesatoren zwischen VCC und GND geleitet. Gerade bei den AVR Controllern sind die internen Dioden aber relativ schwach.

Für stärker gefährdete Eingänge werden zusätzlich Varistoren, Zenerdioden o.ä. verwendet. Dabei ist zu beachten, wo der Strom fließt, denn bei kurzen Pulsen ist die Induktivität von Leiterbahnen nicht zu vernachlässigen. Dieser Schutz sollte direkt am Stecker oder Kabel sein, und zur eigentlichen Schaltung sollte noch ein Widerstand o.a. 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 kOhm fließen dann noch etwa 5 mA über die IC-interne Schutzdiode nach GND oder VCC.

ESD Schutz beim Aufbau von Schaltungen

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

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

• Beim Basteln, wenn möglich, keine Kleidung mit Wollanteil tragen.
• Schuhe mit dicken Gummi- oder Ledersohlen meiden.
• Zwischendurch immer wieder mal einen geerdeten Gegenstand berühren (z.B. das blanke Ventil am Heizkörper).
• Empfindliche Bauteile (wie Controller) nie mit bloßen Fingern an den Beinchen anfassen. Wenn's mit den Fingern sein muß, nur am IC-Gehäuse berühren; es gibt aber auch Pinzetten und Sockelhilfen aus Kunststoff.
• Das Nonplusultra ist ein ESD-Armband, welches mit Kabel und Klemme an einer geerdeten Stelle festgemacht wird.

Kurzschlußschutz

für kleine Leistungen (z.B. Controllerausgänge)

Die Ausgänge vieler µController und CMOS-Logikschaltungen sind kurzzeitig kurzschlußfest, weil nur ein (intern) begrenzter Strom von z.B. 50 mA fließen kann. Längerfristig kann dies jedoch zuviel sein, wenn man beispielsweise den Fehler in der Schaltung nicht sofort bemerkt. Wenn die entworfene Schaltung es gestattet, ist der einfachste Schutz ein Serienwiderstand am Ausgang, der zur Strombegrenzung dient. Für ein System mit 5 V reichen 250 Ohm, um den Kurzschlußstrom auf 20 mA zu begrenzen.

für mittlere Leistungen (z.B. Netzteile)

Kleine Transformatoren bis etwa 2-3 VA sind bauartbedingt durch den relativ hohen Widerstand der Windungen kurzschlußfest.

Zur Begrenzung von Schäden ist bei vielen Trafos eine Übertemperatursicherung mit in das Trafogehäuse eingebaut. Schmelzsicherungen auf der Netzseite dienen der Verhinderung größerer Schäden (z.B. durch Feuer oder Stromschlag), falls die Primärseite des Trafo durchbrennt. Sicherungen auf der Sekundärseite sind ein Schutz für den Trafo sowie die nachfolgende Schaltung. Neben Schmelzsicherungen gibt es für Spannungen bis etwa 40 V auch selbstrückstellende PTC Elemente (z.B. Polyfuse).

Für Experimentier- oder Labornetzteile ist es sinnvoll, wenn ein Kurzschluß keinen Schaden erzeugt. Dies wird erreicht, indem zusätzlich der maximale Strom elektronisch begrenzt wird. Selbst einfache Festspannungsregler (z.B. 78xx) besitzen eine solche Strombegrenzung, bessere Regler oft auch eine zusätzliche Abschaltung über die Temperatur.

Akkus können kurzeitig sehr hohe Ströme liefern. 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)