Schutzschaltungen

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 Spannungsquelle oder der in dieser enthaltenen 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. Bei den meisten Bauteilvertreibern als "Überspannungsschutzdiode" zu finden; 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 (je nach verwendetem FET) etwa 2 bis 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 zur Versorgungsspannung um 0,7 V potentialverschoben.

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 (<1 00 mV), ggf. auch als Strombegrenzung
  • Nachteile: Stromverbrauch (Basistrom), Schutz nur bis etwa 5 V, 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

Als Schutz gegen Überspannung gibt es 2 Möglichkeiten:

• Die Spannung fällt am Schutzelemente ab.
• Über das Schutzelement fließt soviel Strom, daß sich die Spannung verringert.

Die zweite Methode funktioniert offensichtlich nur, wenn die Energiequelle für die Überspannung nicht zu viel Strom liefern kann oder der Strom zusätzlich begrenzt wird. Außerdem kann dieser Schutz erst oberhalb der normalen Betriebsspannung ansprechen, etwas Überspannung sollte die Schaltung also vertragen können.
Schutzelemente mit direkter Spannungsreduzierung sind Halbleiterbauelemente, sie besitzen jedoch nur eine begrenzte maximale Eingangsspannung.

Für einen Schutz gegen hohe Überspannung muß dieser Schutz in Regel in mehreren Stufen erfolgen.

für kleine Spannungsdifferenzen (z.B. 5V/12V)

Spannungsregler-ICs sorgen dafür, dass die Ausgangsspannung nicht über den Sollwert ansteigen kann. Oft sind Eingangsspannungen bis etwa 30 ... 40 V zulässig. Wenn die Schaltung ohne Spannungsregler auskommen soll (oder auch zusätzlich zum Spannungsregler), kann eine Sicherung zur Strombegrenzung dienen. Eine Zenerdiode oder ein ähnliches Bauelement kann verwendet werden, um bei Überspannung viel Strom nach GND fließen zu lassen. Speziell für diese Anwendung gibt es Übersspannungsschutzdioden, eine Art Zenerdiode für kurzzeitig hohe Leistung, allerdings mit weniger Genauigkeit und geringerer Temperaturstabilität.

Für Signaleingänge reicht oft die Kombination aus einem Serienwiderstand und Dioden gegen Vcc und GND, wie man sie bei vielen ICs findet. Wenn der Widerstand stört, gibt es spezielle Überspannungsschutz-ICs wie MAX366 als Schutz bis etwa 40 V, ohne daß nennenswerter Strom fließt und bei geringem Serienwiderstand (ca. 200 Ohm).

Einfache Crowbar-Schaltung

für mittlere Spannungsdifferenzen (z.B. 5V/220V)

Hier sollte bereits ein zweistufiger Schutz vorgesehen werden: Die erste Stufe reduziert die anliegende Netzspannung auf einen Wert, in dem dann die zweite Stufe nur noch eine kleine Überspannung (s.o.) abfangen muß.

Möglich ist auch ein sogenannte Crowbar-Schaltung: Wenn die Spannung zu hoch wird, wird ein Thyristor gezündet, der die anliegende Spannung kurzschließt. Hier muß diese Spannung erst entfernt werden, bevor die Schaltung wieder funktioniert. Eine schöne Beschreibung dieser Crowbar-Schaltungen findet man hier.

für große Spannungsdifferenzen (z.B. Blitzschutz)

Einen Blitzeinschlag mit 50 Millionen Volt und 20.000 A überlebt keine Schaltung! Es ist also illusorisch, über den vollen Schutz einer eigenentwickelten Schaltung vor Blitzen nachzudenken...

Durch bauliche Maßnahmen (z.B. Blitzableiter bei Gebäuden, Funkenstrecken bei Außenantennen) wird verhindert, daß einschlagende Blitze eine direkte Wirkung ausüben können; trotzdem können gefährliche Überspannungen entstehen. Die gesamten Schutzschaltungen zum Blitzschutz sind 4-stufig ausgelegt und in der DIN-Blitzschutznorm VDE 0185 beschrieben. Die Installation solcher Einrichtungen bleibt Fachleuten vorbehalten (und das ist auch gut so). In der letzten Schutzstufe gibt es aber auch Schutzvorrichtungen, die man käuflich erwerben und selbst verwenden kann (z.B. Steckdosenleisten mit integrierter Blitzschutzschaltung).

ESD Schutz

Ein spezieller Fall von Überspannung sind elektrostatische Entladungen. Vor allem durch Reibung 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 klein (ca. 100 pF). Wenn man stark aufgeladen ist, kann man die Entladung 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 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 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 Entladungen, 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. Idealerweise fließt die Ladung langsam über Gegenstände mit geringer Leitfähigkeit (z.B. Holz) langsam ab. Für Hobbyanwendungen reichen oft ein paar einfache Dinge:

• Beim Basteln, wenn möglich, keine Kleidung mit Wollanteil tragen.
• Schuhe mit dicken Gummi- oder Plastiksohlen 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. Aus Sicherheitsgründen ist in der Verbindung zur Erde ein Widerstande von rund 1 MOhm.

Kurzschlußschutz

Eine ausgelöste Sicherung, egal welcher Form und in welchem Leistungsbereich, sollte erst dann ausgetauscht / zurückgesetzt werden, wenn als Ursache ein Kurzschluß festgestellt und dieser beseitigt wurde! Schmelzsicherungen immer nur gegen Exemplare mit gleichem (oder geringerem) Auslösestrom austauschen! Sonst sind irreparable Schäden an Bauteilen, Schaltungen oder Installationen nicht auszuschließen!

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 VA sind bauartbedingt durch den relativ hohen Widerstand der Windungen meistens kurzschlußfest.

Zur Begrenzung von Schäden ist bei vielen Trafos eine Übertemperatursicherung mit in das Trafogehäuse eingebaut. Sicherungen auf der Sekundärseite sind ein zusätzlicher Schutz für den Trafo sowie für 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, un wie die meisten Regler 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.

für große Leistungen (Netzspannung)

Beim Selbstbau von Schaltungen wird die Netzspannung üblicherweise nur in Netzteilen verwendet. Hier dienen Schmelzsicherungen der Verhinderung größerer Schäden (z.B. durch Feuer oder Stromschlag), falls z.B. die Primärseite des Trafo einmal durchbrennen sollte. Die Absicherung muß so dimensioniert werden, daß diese eingebaute Sicherung bei einem Kurzschluß immer zuerst anspricht (aus eigener Erfahrung: eine Sicherung 12 A träge in der Schaltung hielt, die 16 A flink im Sicherungskasten war draußen).

Steckdosenleisten und Kabeltrommeln können einen integrierten Kurzschlußschutz besitzen. Gelegentlich ist dieser nur mit einer einfachen Schmelzsicherung ausgeführt, häufiger jedoch sind Kombinationen mit rückstellbaren Übertemperaturschaltern zu finden.

Im Bereich der Netzinstallation sind zum Schutz vor Kurzschlüssen nur noch Sicherungen vorgesehen. Diese sind heute größtenteils elektromechanisch ausgeführt (Sicherungsautomaten) und können zusätzlich erweiterte Funktionen besitzen (FI-Schutzschalter). Gelegentlich sind für Großverbraucher (z.B. Elektroherde) klassische Schmelzsicherungen zu finden, die Hausanschlusssicherungen sind meistens ebenfalls in dieser Form ausgeführt. Bei Netzneuanschlüssen werden die Hausanschlusssicherungen mittlerweile (Stand 2013) ebenfalls elektromechanisch ausgeführt (Stichwort "Selektive Leitungsschutzschalter", kurz SLS).

Gerade im Bereich der Hausinstallationen wird beim Auslösen einer Sicherung stillschweigend von einem Kurzschluß ausgegangen. Dies ist jedoch nicht immer richtig. Gerade wenn größere Verbraucher eingeschaltet werden und der entsprechende Stromkreis sowieso schon stark belastet ist, kann es zum Auslösen der Sicherung wegen Überlastung kommen. Dies gilt natürlich auch für vorhandene Netzteile im Bereich der Elektronik.

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.

Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen. Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen: Ergänzungen, Bilder und/oder Schaltungsbeispiele!

Links

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

Autor

--Williwilli
--Besserwessi