Schutzschaltungen - Versionsgeschichte

Mbs: /* für große Leistungen (Netzspannung) */

2014-01-06T07:30:41Z

‎für große Leistungen (Netzspannung)

Williwilli: TVS, Layout

2010-10-13T06:53:51Z

TVS, Layout

Besserwessi: /* für große Leistungen (Netzspannung) */

2010-02-16T10:17:42Z

‎für große Leistungen (Netzspannung)

Besserwessi: /* für mittlere Leistungen (z.B. Netzteile) */

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‎für mittlere Leistungen (z.B. Netzteile)

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2010-02-16T10:04:28Z

‎ESD Schutz

Besserwessi: /* ESD Schutz beim Aufbau von Schaltungen */

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‎ESD Schutz beim Aufbau von Schaltungen

Besserwessi: /* ESD Schutz */

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‎ESD Schutz

Williwilli: Ein paar Formulierungen...

2009-12-16T06:51:17Z

Ein paar Formulierungen...

Besserwessi: /* für große Leistungen (Netzspannung) */

2009-12-11T12:42:12Z

‎für große Leistungen (Netzspannung)

Williwilli: Crowbar-Bild

2009-12-10T11:04:54Z

Crowbar-Bild

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 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 immer in dieser Form ausgeführt.
+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).
 {|{{Blauetabelle}}
 |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.
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 Dies gilt natürlich auch für vorhandene Netzteile im Bereich der Elektronik.
 |}
 == Anmerkungen ==

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 == Verpolungsschutz ==
 === Verpolungsschutz mit Dioden ===
 [[Bild:VerpolD1.GIF|thumb|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.
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 [[Bild:VerpolD2.GIF|thumb|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.
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 [[Bild:VerpolD3.GIF|thumb|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
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 * 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 ==
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 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) ===
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 Dies gilt natürlich auch für vorhandene Netzteile im Bereich der Elektronik.
 |}
 == Anmerkungen ==

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 === 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 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'').
+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.

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 === für mittlere Leistungen (z.B. Netzteile) ===
-Kleine Transformatoren bis etwa 2-3 VA sind bauartbedingt durch den relativ hohen Widerstand der Windungen kurzschlußfest.
+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, bessere Regler oft auch eine zusätzliche Abschaltung über die Temperatur.
+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) ===

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 === 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 dies teilweise schmerzhaft spüren, wenn man einen geerdeten Gegenstand berührt.
+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.
+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.

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 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. Für Hobbyanwendungen reichen oft ein paar einfache Dinge:
+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.
+* 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 ==

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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.
+* 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.
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 === Verpolungsschutz mit MOSFETs ===
-Für den Verpolungsschutz mit einem [[Feldeffekttransistor|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.
+Für den Verpolungsschutz mit einem [[Feldeffekttransistor|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.
 <br/><br/>
 [[Bild:VerpolPFET.GIF|thumb|Verpolungsschutz mit p-MOSFET]]
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 ** 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.
+** Nachteil: Schaltungsmasse (GND) ist zur Versorgungsspannung um 0,7 V potentialverschoben.
 <br/>
 [[Bild:VerpolRel.GIF|thumb|Verpolungsschutz mit Relais]]
@@ Zeile 63: / Zeile 63: @@
 <br/>
 * 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
+** Vorteile: für Spannungen ab ca. 1 V möglich, kleiner Spannungsabfall (<1 00 mV), ggf. auch als Strombegrenzung
-** Nachteile: Stromverbrauch (Basistrom), Schutz nur bis etwa 5V, ggf. etwas Leckstrom
+** Nachteile: Stromverbrauch (Basistrom), Schutz nur bis etwa 5 V, ggf. etwas Leckstrom
 <br/>
 * Variante 4: Spannungsregler mit integriertem Verpolungsschutz (z.B. LM2931)
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 Schutzelemente mit direkter Spannungsreduzierung sind Halbleiterbauelemente, sie besitzen jedoch nur eine begrenzte maximale Eingangsspannung.
-Für einen Schutz auch gegen hohe Überspannung muß der Schutz in Regel in mehreren Stufen erfolgen.
+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 30-40V zulässig. Wenn es ohne Regler sein soll, oder zusätzlich zum Regler kann eine Sicherung zur Strombegrenzung und eine Zenerdiode oder ähnliches Element um bei Überspannung viel Strom nach GND fließen zu lassen. Speziell für diese Anwendung gibt es Übersspannungsschutzdioden, eine Art Zenerdioden für kurzzeitig hohe Leistung, allerdings mit weniger Genauigkeit und Temperaturstäbilität.
+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 das nennenswerter Strom fließt und bei geringem Serienwiderstand (ca. 200 Ohm).
+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).
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 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 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 rückstellbare Übertemperaturschalter zu finden.
+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 immer in dieser Form ausgeführt.

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 Für einen Schutz auch gegen hohe Überspannung muß der Schutz in Regel in mehreren Stufen erfolgen.
 === für kleine Spannungsdifferenzen (z.B. 5V/12V) ===
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 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 das nennenswerter Strom fließt und bei geringem Serienwiderstand (ca. 200 Ohm).
 === 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 [[Diac, Triac, Thyristor|Thyristor]] gezündet, der die anliegende Spannung kurzschließt. Hier muß diese Spannung erst entfernt werden, bevor die Schaltung wieder funktioniert. Eine schöne Beschreibung der Crowbar-Schaltungen findet man [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/crowbar.htm hier].
+Möglich ist auch ein sogenannte Crowbar-Schaltung: Wenn die Spannung zu hoch wird, wird ein [[Diac, Triac, Thyristor|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 [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/crowbar.htm hier].
 === für große Spannungsdifferenzen (z.B. Blitzschutz) ===
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 === 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) ===
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 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) ===