Neue Möglichkeiten des Schaltungsschutzes für mobile Geräte in Kraftfahrzeugen
Schutzmaßnahmen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Polymer-gestützte Zenerdiode gewährt Schutz
Stromversorgungen von Fremdanbietern werden immer beliebter, und manche von ihnen filtern einige Transienten aus. Dabei zeigten sich in Tests von Tyco Electronics große Unterschiede bei der Unterdrückung von Transienten. Zum Schutz gegen falsch ausgelegte oder fehlerhaft konstruierte Stromversorgungen setzen manche Hersteller speziell geformte Stromversorgungsstecker ein. Dies ist aber mit Kosten für Sonderwerkzeuge verbunden und unterbindet nicht zwangsläufig die Verwendung von Netzteilen von Fremdherstellern. In einem anderen Schutzkonzept kann man hochspannungsfähige Schaltungen so auslegen, dass sie eine geregelte Spannung ausgeben und bei Überspannungen abschalten. Problematisch bei integrierten Halbleitern ist dabei, dass mit dieser Methode in der Regel ein nennenswerter Mehrpreis verbunden ist.
Herkömmliche Klemmdioden sind die einfachste Schutzlösung. Um jedoch widerstandsfähig genug für die mögliche Ausgangsleistung eines nicht freigegebenen Ladegerätes zu sein und trotzdem einen rücksetzbaren Schutz zu bieten, muss diese Diode in der Lage sein, nahezu die gesamte Leistung aufzunehmen, die dieses nicht freigegebene Ladegerät liefern könnte. Eine derartige Schutzlösung müsste daher nicht nur eine große Diode, sondern auch eine leistungsfähige Wärmeableitung enthalten, wodurch diese Lösung kaum praktikabel erscheint.
Neben der Gefahr des Anschlusses einer falschen Stromversorgung können herkömmliche Stromversorgungen bei den gängigen Spannungstransienten ein portables Gerät auch beschädigen. Zwar liefern typische PC-Stromversorgungen geregelte Versorgungsspannungen von 5 V ± 5 Prozent und 12 V ± 5 Prozent, unter bestimmten Umständen kann die Spannung auf diesen Leitungen jedoch einen Wert von 5,25 V oder 12,6 V überschreiten und damit möglicherweise Schäden an nicht geschützten Peripherieelementen verursachen. Spannungsspitzen können überall dort auftreten, wo der Stromversorgungsbus Induktivitäten enthält und schnelle Änderungen der Stromwerte auftreten.
Abrupte Stromänderungen können auftreten, wenn ein Peripherie-Element im eingeschalteten Zustand abgeklemmt oder ein internes System abgeschaltet wird oder wenn andere interne Veränderungen des Stromverbrauchs auftreten. Die Einbindung magnetischer Bauteile kann Induktivitäten in den Strompfad einfügen, aber auch lange Kabel oder andere Elemente in Stromversorgungsbussen können als Induktivitäten wirken. Je mehr Induktivitäten der Stromversorgungsbus enthält, umso größer sind die Spannungsspitzen, denen die Peripherieelemente ausgesetzt sind. Sind also tragbare Konsumelektronik-Geräte größeren Spannungen als den nominellen Busspannungen ausgesetzt, dann benötigen sie zur Vermeidung vorzeitiger Ausfälle zusätzliche Schutzmaßnahmen.
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Neue, polymer-gestützte Zenerdioden-Miniaturschaltungen enthalten neben einer stabilen Zenerdiode für eine genaue Spannungsbegrenzung auch eine PPTC-Schicht mit nichtlinearer Widerstandscharakteristik (Bild 1). Auf eine Erhitzung der Diode oder auf Überstromereignisse reagiert die PPTC-Schicht mit dem Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand.
Bei einem länger andauernden Überspannungs-Ereignis mit großer Verlustleistung begrenzt das PTC-Element nach seinem Auslösen den Strom und erzeugt einen Spannungsabfall, wodurch nicht nur die Zenerdiode, sondern auch die dahinter angeschlossene Elektronik geschützt und im Endeffekt auch die Grenzleistung der Diode erhöht wird.
Dieser Baustein ist besonders wirkungsvoll bei der Begrenzung und Glättung von induktiven Spannungsspitzen. Als Reaktion auf eine induktive Spannungsspitze schließt die Zenerdiode den Strom gegen Masse kurz, bis die Spannung wieder in den normalen Betriebsbereich zurückkehrt.
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