Schaltungsschutz – Design, Produkte und Methoden

Schaltungsschutz: Entscheidend für Geräte und Komponenten

Beim Entwerfen von Schaltungen geht man gerne von idealen Bedingungen aus – rauschfreie Stromquellen, Kondensatoren ohne Widerstand und augenblicklich ansteigende und abfallende Logikpegeln. Die Realität sieht jedoch ganz anders aus. Stromquellen können sehr laut sein (insbesondere DC/DC-Wandler), Kondensatoren besitzen oft einen gleichwertigen Serienwiderstand und Logikpegel bringen im Allgemeinen alle möglichen Timing-Probleme mit sich.

Selbst bei Berücksichtigung dieser realen Einflüsse wird in der Regel ein Aspekt vergessen – der Schaltungsschutz. Eine Schaltung auf einer Steckplatine oder einer Prototyp-Leiterplatte mag unter Laborbedingungen wunderbar funktionieren, unter realen Bedingungen ist dies jedoch nicht unbedingt der Fall. Wer sich mit ESD-empfindlichen Komponenten befasst, weiß genau, was das bedeutet. Spannungsspitzen durch Überspannung können Regler beschädigen und statische Entladungen von Benutzern Mikrocontroller ohne Vorwarnung zerstören. Da Entwickler nie sicher sein können, welchen Bedingungen ihre Schaltung ausgesetzt sein wird, ist es gute Praxis, Schaltungen vor möglichst vielen Schadensquellen zu schützen.

Typische Ursachen für Schaltungsschäden

Von den vielen potenziellen Schadensquellen sind die wichtigsten elektrostatische Entladung, induktiver Rückschlag und Netzüberspannung.

Elektrostatische Entladung ist statische Entladung. Sie ist der bei Weitem größte „Killer“ von CMOS-basierten Geräten. Statische Entladungen können aus verschiedenen Quellen stammen, eine der häufigsten ist jedoch der Mensch. Menschen tragen Kleidung aus Stoff und Schuhe mit Gummisohlen. Stoff und Gummi können bei Bewegung auf der Haut und anderen Oberflächen reiben. Dadurch baut sich statische Ladung auf. Wenn eine statisch aufgeladene Person einen elektronischen Schaltkreis berührt, besteht die große Gefahr, dass die Ladung auf den Schaltkreis übertragen wird, wodurch der Schaltkreis vielen tausend Volt ausgesetzt wird. Auch wenn die übertragene Energiemenge sehr gering ist, kann die hohe Spannung ohne Weiteres einen dielektrischen Durchschlag der MOS-basierten Technologie (Transistoren, Regler, Mikrocontroller usw.) verursachen. Andere Technologien, die auf Barrieren und Sperrschichten basieren (z. B. BJTs und FETs), sind weniger von statischen Stromschlägen betroffen, können aber dennoch beschädigt werden.

Induktiver Rückschlag ist ein Phänomen, das auftritt, wenn sich ein Strom, der durch ein induktives Element (z. B. Spule oder Drossel) fließt, plötzlich ändert. In diesem Fall muss die im Magnetfeld gespeicherte Energie freigesetzt werden. Durch den Zusammenbruch des Magnetfelds wird eine Spannung induziert (allerdings mit entgegengesetzter Polarität zur Spannungsquelle des Induktors). Diese induzierte Spannung wird als „Gegen-EMK“ bezeichnet und ist sehr gefährlich für empfindliche Schaltungen, die zum Beispiel auf Silizium basieren. Die Gegen-EMK selbst von kleinen Induktoren kann viele hundert Volt betragen. Häufige Quellen für Gegen-EMK sind Drosseln, Motoren und Transformatoren.

Für Netzüberspannung gibt es mehrere Ursachen, u. a. Ausfall von Kraftwerken oder Umspannwerken und Blitzschlag. Bei einer Netzüberspannung schießt eine große Spannungsspitze in das Stromnetz. Von dieser plötzlichen Spitze kann fast jedes an das Stromnetz angeschlossene Gerät betroffen sein. Ein klassisches Beispiel für Spannungsspitzen mit negativen Auswirkungen auf das Stromnetz sind Stromausfälle während eines Gewitters. Wenn ein Blitz einen Mast trifft, wird dadurch eine Überspannung im gesamten Netz verursacht. Wenn Umspannwerke durch Überspannung beschädigt werden, wird die von ihnen bereitgestellte Stromversorgung unterbrochen. Oder sie erkennen die Überspannung und reagieren darauf, indem sie absichtlich die Stromversorgung unterbrechen, um Schäden an den angeschlossenen Verbrauchern zu verhindern. Überspannungen können auch bei der Wiederherstellung der Stromversorgung entstehen, wenn ein Gebiet ohne Strom plötzlich wieder an das Netz angeschlossen wird.

Methoden für Schaltungsschutz

Es gibt also viele verschiedene potenzielle Schadensquellen. Aber wie können Schaltkreise vor solchen Schäden geschützt werden?

Zener-Dioden/Reihenbegrenzungswiderstände

Zener-Dioden sind dank ihrer Fähigkeit, Spannung zu sperren, eine der am häufigsten verwendeten Schaltungsschutzvorrichtungen. In Vorwärtsrichtung sperren sie Spannungen wie jede andere Siliziumdiode auf etwa 0,6 V. Im Gegensatz zu Siliziumdioden sperren sie jedoch in Rückwärtsrichtung eine Spannung auf einen bestimmten Wert.

Beispielsweise sperrt eine 5V1-Zener-Diode Spannungen in Rückwärtsrichtung auf 5,1 V, sodass die Spannung nicht weiter ansteigt, wenn sie an der Diode 5,1 V überschreitet. Diese Dioden werden häufig in Verbindung mit einem Reihenbegrenzungswiderstand verwendet, damit der Strom, der durch die Zener-Diode fließt, seine Höchstwerte nicht übersteigen kann. Der Reihenbegrenzungswiderstand kann die Schaltung auch vor Stromspitzen schützen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass Reihenbegrenzungswiderstände die Geschwindigkeitsleistung einer Schaltung beeinflussen können und eher für hochohmige Eingänge geeignet sind.

Drossel: Induktor

Eine Drossel ist ein spezielles Induktorpaar, das beständig gegen plötzliche Stromänderungen ist. Beispielsweise kann eine Spannungsspitze aus dem Stromnetz in den Stromeingang eines empfindlichen Schaltkreises gelangen. Wenn eine Drossel in Reihe mit dem Stromeingang geschaltet ist, wird die Spannungsspitze (die auch eine Stromspitze I proportional zur Spannung V verursacht) reduziert und der übrige Schaltkreis ist einer geringeren Überspannung ausgesetzt.

Entkopplungskondensatoren

Aber Spannungs- und Stromspitzen sind nicht die einzigen Gefahren für eine Schaltung. Eine weitere potenzielle Schadensquelle ist Unterspannung infolge eines plötzlichen Stromausfalls, die mehrere hundert Millisekunden andauern kann. Für einfache Geräte wie Ventilatoren und Lampen stellt Unterspannung kein besonderes Problem dar. Die Folgen für Computer, Laptops, Sicherheitssysteme und andere Geräte, die auf digitaler Logik beruhen, können jedoch verheerend sein.

Unterspannungen mit einer Dauer von mehr als einer halben Sekunde lassen sich nur sehr schwer handhaben (und erfordern häufig eine sekundäre Notstromversorgung). Kurze Unterspannungen hingegen, die durch das Einschalten von Geräten (z. B. eines Funkmoduls) verursacht werden, lassen sich mithilfe von Entkopplungskondensatoren auffangen. Ein Entkopplungskondensator ist nichts anderes als ein Kondensator mit großem Wert, der im Normalbetrieb geladen bleibt, bei Unterspannung jedoch seine Energie in einen Schaltkreis abgeben kann, um die Versorgungsspannung aufrechtzuerhalten. Diese Kondensatoren werden häufig vor Schaltungselementen wie Linearreglern für Mikrocontroller platziert. Dadurch wird die Spannung zum Mikrocontroller aufrechterhalten. (Zur Erinnerung: Viele Regler können einen großen Eingangsspannungsbereich akzeptieren, viele Mikrocontroller hingegen nicht mit großen Spannungsschwankungen umgehen.) Eine andere Anwendungsmöglichkeit für Entkopplungskondensatoren ist der Schaltungsschutz vor Rauschen, das durch andere Schaltungselemente wie DC/DC-Wandler, Prozessoren, Sensoren, Funkmodule und digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungstechnik in die Stromversorgung gelangt. In diesen Fällen hat es sich bewährt, jedem Stromkontakt auf einem Mikrocontroller einen eigenen dedizierten Entkopplungskondensator zuzuweisen, der sich über der Stromversorgung des Mikrocontrollers befindet.

Sicherung

Viele Methoden des Schaltungsschutzes befassen sich mit äußeren Einflüssen, manchmal müssen Schaltungen aber auch vor sich selbst geschützt werden. Ein klassisches Beispiel für Selbstschutz ist der Kurzschlussschutz mit einer Sicherung. Nicht alle Schaltungen sind von diesem Problem betroffen. Einige Designs jedoch können Schaltungen enthalten, die während Fehlerzuständen große Strommengen ziehen.

Zum Beispiel kann ein Gegentaktverstärker zwar an externe Geräte angeschlossen werden, ist aber gleichzeitig auf eine minimale Impedanz des betreffenden Geräts angewiesen. In dieser Situation ist der Gegentaktverstärker anfällig für Kurzschlüsse. Und während der Verstärker möglicherweise in der Lage ist, den Strom zu handhaben, sind es andere Komponenten der Schaltung nicht. In diesem Szenario können Sicherungen in Reihe mit Spannungsversorgungen, Eingängen und Ausgängen verwendet werden, um sicherzustellen, dass keine gefährliche Menge an elektrischem Strom durch den Schaltkreis fließt. Es gibt viele Arten von Sicherungen. Schmelzdrahtsicherungen sind nützlich für netzbetriebene Geräte, während kleine rückstellbare Sicherungen besser für digitale Schaltungen wie Arduinos geeignet sind.

Schutzdioden

Schutzdioden sind wichtig in Designs, bei denen ein induktiver Rückschlag von Komponenten wie Spulen und Motoren auftreten kann. Für Motoren und Spulen selbst besteht keine Gefahr, beschädigt zu werden. Das Problem entsteht erst, wenn diese Komponenten ihre Gegen-EMK in einen Schaltkreis mit empfindlicher Schaltungstechnik wie Mikrocontrollern, Transistoren und Sensoren abgeben. Das Risiko, das die Gegen-EMK darstellt, lässt sich ganz einfach ausschließen. Es ist lediglich eine einzige Diode erforderlich, die parallel zu dem Gerät platziert wird, das voraussichtlich die Gegen-EMK erzeugt. Dabei ist zu beachten, dass diese Lösung nur für Gleichstromkonfigurationen funktioniert, da die Diode parallel zum induktiven Element, aber in Rückwärtsrichtung der Spannungsversorgung der induktiven Elemente angeordnet wird. Wird die Versorgung des induktiven Elements abgeschaltet, passiert die Gegen-EMK die Diode und wird von anderen Komponenten in der Schaltung ferngehalten.

Produkte für Schaltungsschutz

Neben diskreten Komponenten für den Schaltungsschutz gibt es auf dem Markt auch spezifische Komponenten, die dedizierte Schaltungstechnik für genau diese Aufgabe enthalten. Sehen wir uns einige Beispiele für Komponenten an, die für den Schaltungsschutz infrage kommen.

Diodenmatrix-Pakete

Diodenmatrix-Pakete enthalten mehrere Dioden in einem einzigen Paket, die für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden können. Eine der beliebtesten Anwendungen ist der Schutz der Stifte von USB-Steckverbindern (z. B. D+ und D-) vor externer elektrostatischer Entladung. Beispiele für Diodenmatrix-Pakete sind das NZQA5V6AXV5 von onsemi, das vier Zener-Dioden mit einem gemeinsamen Anschluss enthält, und das TPD3E001 von Texas Instruments mit sieben Dioden speziell zum Schutz von USB-Anschlüssen, das Kanäle mit niedriger Kapazität bereitstellt.

Überspannungsbegrenzer-Dioden

Diese Diodenarten wurden speziell für große Spannungsschwankungen konzipiert. Sie eignen sich hervorragend zum Schutz einzelner Schaltkreisanschlüsse sowie als Gegen-EMF-Schutz. Ein Beispiel für eine Begrenzerdiode wäre die SMAJ33A-13-F von Diodes Incorporated. Sie kann 400 W Spitzenleistung ableiten, besitzt eine kurze Antwortzeit und leitet bis zu 40 A Spitzenstrom. Ein weitere Begrenzungsdiode ist die 5KP100A-E3/54 von Vishay mit einer Spitzenimpulsaufnahmeleistung von bis zu 5.000 W. Dadurch wird der Schaltkreis lange genug geschützt, bis die Hauptsicherung/der Leistungsschalter die Stromversorgung unterbricht.

Rückstellbare Sicherungen

Rückstellbare Sicherungen sind Komponenten, die bei Kurzschluss Schäden an Schaltkreisen verhindern können. Im Gegensatz zu typischen Sicherungen, die, wenn sie durchgebrannt sind, ersetzt werden müssen, ist dies bei rückstellbaren Sicherungen nicht erforderlich. Diese Bauteile sind in der Regel als PTC-Typ ausgeführt; die Abkürzung steht für „Positive Temperature Coefficient“, also positiver Temperaturkoeffizient. Die Temperatur von rückstellbaren Sicherungen steigt, wenn der Strom, der durch sie hindurchfließt, zunimmt. Durch den Temperaturanstieg erhöht sich der Widerstand entsprechend dem Effekt der thermischen Instabilität und es kann weniger Strom fließen.

Ein Beispiel für eine handelsübliche PTC-Sicherung ist die Littelfuse, RF4573-000. Diese SMD-Sicherung für Fahrzeuge ist in zahlreichen Spannungs- und Stromstärken erhältlich. Eine andere PTC-Sicherung ist die 0ZRE0075FF1A von Bel. Diese Sicherung zum Durchstecken ist häufig auf leistungsstärkere Komponenten wie Spannungsversorgungen ausgerichtet.

Fazit

Schaltkreise können durch verschiedene Schadensquellen mit verschiedenen Mechanismen beschädigt werden. Mit den richtigen Komponenten und Lösungen für einen wirksamen Schaltungsschutz lässt sich jedoch die Zuverlässigkeit von Schaltkreisen deutlich erhöhen. Dadurch wird die Gesamtleistung von Elektronik und Geräten verbessert.