Welcher Schutz ist der richtige?

Teure Halbleiter vor Überspannungen/Überströmen schützen

18. Mai 2021, 14:10 Uhr | Von Diarmuid Carey

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Herkömmliche Schutzschaltungen

Herkömmliche Schutzkomponenten
Bild 2. Herkömmliche Schutzkomponenten.
© Analog Devices

Bei einer herkömmlichen Implementierung werden mehrere Bauteile verwendet (Bild 2). Zum Beispiel ein Transienten-Spannungsunterdrücker (TVS) für den Überspannungsschutz, eine Sicherung für den Überstromschutz, eine Seriendiode für den Verpolungsschutz der Batterie/Versorgung sowie mehrere Kondensatoren und Induktivitäten zum Herausfiltern von Spannungs- und Stromspitzen mit geringerer Energie. Damit lassen sich die relevanten Spezifikationen erfüllen und die nachgeschaltete Elektronik schützen. Allerdings führen solche Ansätze zu komplexen Implementierungen, die mehrere Iterationen bei der Bauteileauswahl einschließlich Trial-and-Error erfordern, um die Filterung richtig zu dimensionieren.

TVS – Transienten-Spannungsunterdrücker

Ein TVS ist ein relativ einfaches Bauteil, das dazu beiträgt, nachgeschaltete Schaltkreise vor hohen Spannungsspitzen auf der Versorgungsleitung zu schützen. TVS-Bauteile lassen sich in mehrere, verschiedene Typen unterteilen, die eine große Bandbreite an Eigenschaften aufweisen. In der Tabelle sind die TVS-Typen entsprechend ihrer Reaktionszeit, von der kürzesten zur längsten, aufgelistet.

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TVS-Bauteil Reaktionszeit
TVS-Dioden ~1ps
Metall-Oxid-Varistor (MOV) ~1ns
Avalanche-Diode/Zener-Diode <1µs
Gasentladungsröhre (GDT) <5µs

 

Obwohl die TVS-Typen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, funktionieren sie alle auf ähnliche Weise: Ableitung des Überstroms, sobald die Spannung die für einen Baustein spezifizierte Schwelle überschreitet. Ein TVS klemmt die Spannung am Ausgang innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums auf den Nennwert. Eine TVS-Diode kann beispielsweise in wenigen Pikosekunden reagieren, während eine GDT einige Mikrosekunden braucht, dafür aber viel größere Stromstöße verkraftet.

Schutz vor Spannungsspitzen mit einer herkömmlichen TVS-Lösung
Bild 3. Schutz vor Spannungsspitzen mit einer herkömmlichen TVS-Lösung.
© Analog Devices

Bild 3 zeigt die einfache Implementierung einer TVS-Diode zum Schutz der Elektronik. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die TVS-Diode hochohmig und die Eingangsspannung wird an den Ausgang weitergeleitet. Bei einer Überspannung am Eingang, wird der TVS leitend und reagiert, indem er die überschüssige Energie nach Masse ableitet und die Spannung an der nachgeschalteten Last begrenzt. Die Spannung auf der Versorgungsschiene steigt über den typischen Betriebswert an, wird jedoch auf einen Wert begrenzt, der für die nachgeschaltete Elektronik sicher ist.

TVS-Bauteile eignen sich zwar zur Unterdrückung von sehr hohen Spannungsausschlägen, sind bei anhaltenden Überspannungen jedoch nicht vor Beschädigungen geschützt. Dies macht eine regelmäßige Überwachung oder einen Austausch der Bauteile erforderlich. Problematisch ist außerdem, dass ein TVS bei einem Ausfall zum Kurzschluss werden und so die Eingangsversorgung überlasten kann. Zudem können TVS-Bauteile, abhängig von der Energie, groß sein, um eine entsprechend hohe Reserve aufzuweisen. Damit wird die Gesamtlösung größer. Selbst bei richtig dimensioniertem TVS muss die nachgeschaltete Schaltung mit der geklemmten Spannung zurechtkommen, wodurch die Anforderungen an das Spannungs-Rating der nachgeschalteten Elektronik steigen.

Inline-Sicherung

Ein Überstromschutz lässt sich mit einer Inline-Sicherung mit einer Schmelzleistung in einem bestimmten Bereich oberhalb des Nennwerts implementieren. Zum Beispiel 20 % über dem maximalen Nennstrom – der Prozentsatz ist abhängig von der Art der Schaltung und den zu erwartenden typischen Betriebslasten. Problematisch bei Schmelzsicherungen ist, dass sie ersetzt werden müssen, wenn sie einmal durchgebrannt sind. Die Zeit- und Kostenersparnis, die sich aus dem einfachen Aufbau solcher Sicherungen ergibt, können später durch eine relativ aufwendige Wartung zunichtegemacht werden, insbesondere wenn es sich um schwer zugängliche Anwendungen handelt.
Der Wartungsaufwand lässt sich mit Alternativen, beispielsweise rücksetzbaren Sicherungen, reduzieren. Diese Sicherungstypen nutzen einen positiven Temperaturkoeffizienten, um den Stromkreis zu öffnen, wenn ein höherer als der normale Strom durchfließt (durch den erhöhten Strompegel steigt die Temperatur und der Widerstand).
Abgesehen von den Wartungsproblemen ist die Reaktionszeit eines der größten Probleme bei diesen Sicherungen. Sie kann je nach gewähltem Sicherungstyp stark variieren. Flinke Si- cherungen stehen zur Verfügung, doch die Löschzeit (die Zeit bis zur Unterbrechung des Stromkreises) kann immer noch im Bereich von Hunderten Mikrosekunden bis Millisekunden liegen. Somit müssen Schaltungsentwickler die Energie über diese längeren Zeiten berücksichtigen, um keine Beschädigung der nachgeschalteten Elektronik sicherzustellen.

         

 

Eine zusätzliche Seriendiode schützt vor Verpolung. Allerdings kann der Spannungsabfall an der Diode in Hochstromsystemen ein Problem darstellen
Bild 4. Eine zusätzliche Seriendiode schützt vor Verpolung. Allerdings kann der Spannungsabfall an der Diode in Hochstromsystemen ein Problem darstellen.
© Analog Devices

Seriendiode

In manchen Umgebungen sind Schaltkreise Unterbrechungen und Wiedereinschaltvorgängen der Stromversorgung ausgesetzt, beispielsweise in batteriebetriebenen Anwendungen. In solchen Fällen ist die richtige Polarität beim Wiedereinschalten nicht gewährleistet. Ein Verpolungsschutz lässt sich mit einer Seriendiode in der positiven Versorgungsleitung der Schaltung realisieren. Diese einfache Erweiterung bildet zwar einen wirksamen Schutz gegen Verpolung, bewirkt jedoch aufgrund des Spannungsabfalls der Vorschaltdiode eine entsprechende Verlustleistung.

Bei Schaltungen mit relativ niedrigen Strömen ist der Kompromiss minimal. Für viele moderne Hochstromschienen ist jedoch eine alternative Lösung erforderlich. Bild 4 zeigt als Erweiterung von Bild 3 den TVS und die Seriendiode zum Schutz vor Verpolung.

Filter mit Induktivitäten und Kondensatoren

Alle bisher erläuterten passiven Lösungen begrenzen die Amplitude der durchgelassenen Spannungsspitzen und fangen typischerweise größere Spitzen ab, während sie kleinere Spikes durchlassen. Kleinere Transienten können immer noch Schäden an den Schaltungen verursachen, sodass zusätzliche passive Filter erforderlich sind, um Spitzen auf der Leitung zu verhindern. Erreichbar ist dies mit diskreten Induktivitäten und Kondensatoren, die so dimensioniert sein müssen, dass sie die Spannung bei den unerwünschten Frequenzen absenken. Bei der Entwicklung von Filtern müssen zunächst mit Tests und Messungen Größe und Frequenz der Störung ermittelt werden. Erst dann kann der Filter richtig dimensioniert werden.

Die Nachteile bei dieser Vorgehensweise sind die Zahl der Bauteile und die damit verbundenen Kosten (BOM, Bill of Materials) sowie der Platzbedarf, der erforderlich ist, um den richtigen Grad der Filterung zu erreichen. Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit einer Überdimensionierung, um Bauteiltoleranzen und Laufzeitveränderungen zu kompensieren.


  1. Teure Halbleiter vor Überspannungen/Überströmen schützen
  2. Herkömmliche Schutzschaltungen
  3. Aktiver Schutz mit Überspannungsstopper

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