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18 Elektronik 10 2021 Analog & Power widerstandsfähig ist und ermöglicht dass die nachgeschaltete Elektronik innerhalb ihrer sicheren Spannungspegel unterbrechungsfrei arbeitet Herkömmliche Schutzschaltungen 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 Spannungsund 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 Trialand-Error erfordern um die Filterung richtig zu dimensionieren TVS TransientenSpannungsunterdrücker 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 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 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 Zeitund 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 größ ten Probleme bei diesen Sicherungen Bild 3 Schutz vor Spannungsspitzen mit einer herkömmlichen TVS-Lösung Bild Analog Devices Bild 4 Eine zusätzliche Seriendiode schützt vor Verpolung Allerdings kann der Spannungsabfall an der Diode in Hochstromsystemen ein Problem darstellen Bild Analog Devices Tabelle TVS-Bauteile lassen sich in mehrere verschiedene Typen mit unterschiedlichen Reaktionszeiten unterteilen TVS-Bauteil Reaktionszeit TVS-Dioden ~1ps Metall-Oxid-Varistor MOV ~1ns Avalanche-Diode Zener-Diode <1µs Gasentladungsröhre GDT <5µs