Überspannungsschutz für Netzteile

Der Überspannungsschutz der Stromversorgung ist wirklich nützlich - einige Netzteilfehler können zu großen Schäden an den Geräten führen. Der Überspannungsschutz verhindert dies sowohl bei Linearreglern als auch bei Schaltnetzteilen.

Obwohl moderne Netzteile heute sehr zuverlässig sind, besteht immer eine kleine, aber reale Chance, dass sie ausfallen.

Sie können auf viele Arten ausfallen, und eine besonders besorgniserregende Möglichkeit besteht darin, dass das Serienpasselement, dh der Hauptpasstransistor oder FET, so ausfällt, dass es kurzgeschlossen wird. In diesem Fall kann eine sehr hohe Spannung, die oft als Überspannung bezeichnet wird, an der gespeisten Schaltung auftreten und katastrophale Schäden an der gesamten Ausrüstung verursachen.

Durch Hinzufügen einer kleinen zusätzlichen Schutzschaltung in Form eines Überspannungsschutzes ist es möglich, sich vor dieser unwahrscheinlichen, aber katastrophalen Möglichkeit zu schützen.

Die meisten Netzteile, die für den sehr zuverlässigen Betrieb hochwertiger Geräte ausgelegt sind, verfügen über einen Überspannungsschutz, um sicherzustellen, dass ein Ausfall der Stromversorgung nicht zu Schäden an den mit Strom versorgten Geräten führt. Dies gilt sowohl für lineare Netzteile als auch für Schaltnetzteile.

Einige Netzteile verfügen möglicherweise nicht über einen Überspannungsschutz und sollten nicht für die Stromversorgung teurer Geräte verwendet werden.

Grundlagen des Überspannungsschutzes

Es gibt viele Möglichkeiten, wie ein Netzteil ausfallen kann. Um jedoch ein wenig mehr über den Überspannungsschutz und die Schaltungsprobleme zu verstehen, ist es einfach, ein einfaches Beispiel für einen linearen Spannungsregler zu nehmen, der eine sehr einfache Zener-Diode und einen Reihenpasstransistor verwendet.

Grundlegender Serienregler mit Zenerdiode und Emitterfolger

Obwohl kompliziertere Netzteile eine bessere Leistung bieten, sind sie auch auf einen Reihentransistor angewiesen, um den Ausgangsstrom weiterzuleiten. Der Hauptunterschied besteht darin, wie die Reglerspannung an die Basis des Transistors angelegt wird.

Typischerweise ist die Eingangsspannung so, dass mehrere Volt über dem Reihenspannungsreglerelement abfallen. Dies ermöglicht dem Reihenpasstransistor, die Ausgangsspannung angemessen zu regulieren. Oft ist der Spannungsabfall über dem Reihenpasstransistor relativ hoch - bei einer 12-Volt-Versorgung kann der Eingang 18 Volt oder sogar mehr betragen, um die erforderliche Regelung und Welligkeitsunterdrückung usw.

Dies bedeutet, dass im Spannungsreglerelement eine erhebliche Wärmeableitung auftreten kann und in Kombination mit etwaigen transienten Spitzen, die am Eingang auftreten können, immer die Möglichkeit eines Ausfalls besteht.

Die Transistor-Reihendurchgangsvorrichtung würde normalerweise im Leerlaufzustand versagen, aber unter bestimmten Umständen kann der Transistor einen Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter entwickeln. In diesem Fall würde die volle ungeregelte Eingangsspannung am Ausgang des Spannungsreglers erscheinen.

Wenn am Ausgang die volle Spannung anliegt, können viele der ICs beschädigt werden, die sich in der versorgten Schaltung befinden. In diesem Fall ist die Schaltung möglicherweise nicht mehr wirtschaftlich zu reparieren.

Die Funktionsweise von Schaltreglern ist sehr unterschiedlich, aber es gibt Umstände, unter denen die volle Leistung am Ausgang des Netzteils erscheinen kann.

Sowohl bei linear geregelten Netzteilen als auch bei Schaltnetzteilen ist immer eine Art Überspannungsschutz empfehlenswert.

Arten des Überspannungsschutzes

Wie bei vielen elektronischen Techniken gibt es mehrere Möglichkeiten, eine bestimmte Fähigkeit zu implementieren. Dies gilt für den Überspannungsschutz.

Es gibt verschiedene Techniken, die verwendet werden können, jede mit ihren eigenen Eigenschaften. Leistung, Kosten, Komplexität und Betriebsweise müssen alle abgewogen werden, wenn die zu verwendende Methode während der Entwicklungsphase der elektronischen Schaltung bestimmt wird.

• SCR-Crowbar: Wie der Name schon sagt, platziert die Crowbar-Schaltung einen Kurzschluss über den Ausgang des Netzteils, wenn eine Überspannung auftritt. Typischerweise werden dafür Thyristoren, dh SCRs verwendet, da sie große Ströme schalten können und eingeschaltet bleiben, bis sich die Ladung verteilt hat. Der Thyristor kann mit einer Sicherung verbunden werden, die durchbrennt und den Regler von weiteren Spannungen trennt.

  Thyristor-Crowbar-Überspannungsschutzschaltung

  In dieser Schaltung wird die Zenerdiode so gewählt, dass ihre Spannung über der normalen Betriebsspannung des Ausgangs liegt, jedoch unter der Spannung, bei der eine Beschädigung auftreten würde. Bei dieser Leitung fließt kein Strom durch die Zenerdiode, da deren Durchbruchspannung noch nicht erreicht ist und es fließt kein Strom in das Gate des Thyristors und dieser bleibt gesperrt. Das Netzteil funktioniert normal.

  Wenn der Serientransistor im Netzteil ausfällt, beginnt die Spannung anzusteigen - die Entkopplung im Gerät sorgt dafür, dass sie nicht sofort ansteigt. Wenn es ansteigt, steigt es über den Punkt, an dem die Zener-Diode zu leiten beginnt, und Strom fließt in das Gate des Thyristors, wodurch dieser ausgelöst wird.

  Wenn der Thyristor auslöst, schließt er den Ausgang des Netzteils mit Masse kurz und verhindert so eine Beschädigung der von ihm gespeisten Schaltung. Dieser Kurzschluss kann auch verwendet werden, um eine Sicherung oder ein anderes Element durchzubrennen, den Spannungsregler vom Strom zu nehmen und das Gerät vor weiteren Schäden zu schützen.

  Oftmals wird eine Entkopplung in Form eines kleinen Kondensators vom Gate des Thyristors zur Erde platziert, um zu verhindern, dass scharfe Transienten oder HF von der Einheitsleistung auf den Gate-Anschluss gelangen und einen falschen Trigger verursachen. Dies sollte jedoch nicht zu groß gewählt werden, da dies das Auslösen der Schaltung in einem echten Fehlerfall verlangsamen kann und der Schutz möglicherweise zu langsam eingesetzt wird.

  Hinweis zum Thyristor-Crowbar-Überspannungsschutz:

  Der siliziumgesteuerte Thyristor- oder SCR-Gleichrichter kann verwendet werden, um einen Überspannungsschutz in einem Stromversorgungskreis bereitzustellen. Durch das Erkennen der Hochspannung kann die Schaltung den Thyristor zünden, um einen Kurzschluss oder eine Crowbar über die Spannungsschiene zu legen, um sicherzustellen, dass die Spannung nicht zu hoch ansteigt.

  Erfahren Sie mehr über Thyristor-Crowbar-Überspannungsschutzschaltung.

• Spannungsklemmung: Eine andere sehr einfache Form des Überspannungsschutzes verwendet einen Ansatz namens Spannungsklemmung. In seiner einfachsten Form kann er bereitgestellt werden, indem eine Zener-Diode verwendet wird, die über den Ausgang des geregelten Netzteils gelegt wird. Wenn die Zenerdiodenspannung etwas über der maximalen Schienenspannung gewählt wird, leitet sie unter normalen Bedingungen nicht. Wenn die Spannung zu hoch ansteigt, beginnt sie zu leiten und klemmt die Spannung auf einen Wert geringfügig über der Schienenspannung.

  Wird eine höhere Strombelastbarkeit für die geregelte Stromversorgung benötigt, kann eine Zenerdiode mit Transistorpuffer verwendet werden. Dies erhöht die Strombelastbarkeit über die einfache Zenerdiodenschaltung um einen Faktor gleich der Stromverstärkung des Transistors. Da für diese Schaltung ein Leistungstransistor erforderlich ist, sind die wahrscheinlichen Stromverstärkungspegel niedrig - möglicherweise 20 - 50.

  Zenerdioden-Überspannungsklemme
  (a) - einfache Zenerdiode, (b) - höherer Strom mit Transistorpuffer

• Spannungsbegrenzung: Wenn ein Überspannungsschutz für Schaltnetzteile erforderlich ist, werden die Klemm- und Crowbar-Techniken von SMPS aufgrund der Anforderungen an die Verlustleistung und der möglichen Größe und Kosten der Komponenten weniger häufig verwendet.

  Glücklicherweise versagen die meisten Schaltregler im Niederspannungszustand. Es ist jedoch oft ratsam, im Falle von Überspannungen Spannungsbegrenzungsfunktionen einzurichten.
  
  Dies kann häufig durch Erfassen des Überspannungszustands und Abschalten des Umrichters erreicht werden. Dies gilt insbesondere bei DC-DC-Wandlern. Um dies zu implementieren, ist es notwendig, eine Sense-Schleife zu integrieren, die sich außerhalb des Haupt-IC-Reglers befindet - viele Schaltregler und DC-DC-Wandler verwenden einen Chip, um den Großteil der Schaltung zu erreichen. Es ist sehr wichtig, eine externe Sense-Schleife zu verwenden, da bei einer Beschädigung des Schaltregler-Chips, die den Überspannungszustand verursacht, auch der Sense-Mechanismus beschädigt werden kann.

  Offensichtlich erfordert diese Form des Überspannungsschutzes Schaltungen, die für die spezielle Schaltung und die verwendeten Schaltnetzteilchips spezifisch sind.

Alle drei Techniken werden verwendet und können einen wirksamen Überspannungsschutz der Stromversorgung bieten. Jedes hat seine eigenen Vor- und Nachteile und die Wahl der Technik muss von der jeweiligen Situation abhängig gemacht werden.

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