Überspannungsschutz

Elektronik-Einsteiger:
Schneller Überspannungsschutz
mit dem BTS555
Der Prototyp: Für hohe Ströme muss der BTS555 leitend mit der Leiterbahn auf der Lötseite der Platine
verschraubt werden.
In den Amateurfunk-Heften dieser
jährlichen erscheinenden Heftserie
wurden in den letzten Jahren bereits
ähnliche Schaltungen vorgestellt die Zeit geht ins Land und Hersteller
kündigen Bauelemente ab, die bald
kaum noch oder nur zu überhöhten
Preisen zur Verfügung stehen. So
erging es beispielsweise dem Unter- und Überspannungsschutz mit
dem TBA765 oder der Schaltung
mit dem MC3423. Beide IC sind
inzwischen nicht mehr erhältlich.
Nun also ein neuer Ansatz mit
leicht erhältlichen und erprobten
Bauteilen [1].
Schutz ohne Brechstange
Bild 2 zeigt eine herkömmliche und
oft praktizierte Überschutzschaltung. Die Überspannung wird durch
die Zenerdiode erkannt, welche
einen Triac zündet. Der verbindet niederohmig Plus mit Minus
und sorgt für einen sehr hohen
Kurzschlussstrom. Der wiederum
bewirkt, dass die Sicherung am
Eingang durchbrennt. Diese Art
der Schaltung bezeichnet man im
Englischen als crowbar (Brechstange), da auf brutale Art die Sicherung
zerstört wird. Die hier beschriebene
Schutzschaltung sollte jedoch so
nicht arbeiten: Es geht auch ohne
Brechstange.
wendung. Genauso wurde die LED
am Ausgang berechnet. Die maximal
zulässige Spannung wird durch den
Wert der Z-Diode (Zenerdiode) und
der in Serie geschalteten Dioden
bestimmt. Sie kann man auch als
Abschaltspannung bezeichnen und
berechnet sich hier zu 13 V + 0,8 V
+ 0,8 V = 1^4,6 Volt. Wer andere
Abschaltspannungen benötigt, kann
wahlweise eine oder zwei Dioden
durch eine Drahtbrücke ersetzen.
Beispiel: Für eine maximal tolerierte
Spannung von 5,1 Volt passt eine
Z-Diode 5V1 exakt. Für 5,9 Volt
wird die Z-Diode 5V1 und eine
Diode 1N4148 benötigt (5,1 V + 0,8
V). R1 lässt einen Strom von etwa
Lineare Netzteile könnten bei einem Defekt
die Eingangsspannung
direkt zum Ausgang
durchschalten. Ist dort
ein Verbraucher wie ein
Funkgerät angeschlossen, wird dieses vermutlich durch die Überspannung Schaden leiden.
Diese Schaltung überwacht die Eingangsspannung eines Netzgerätes und schaltet
für die Zeit, in der eine
Überspannung anliegt,
auf Null Volt. Die maximal tolerierte Spannung
wird durch eine Z-Diode
und eine oder zwei Dioden festgelegt.
30 mA fließen, bei diesem Strom
kann die Zenerdiode gut arbeiten.
Die BTS555 schaltet die Spannung vom Eingang zum Ausgang
durch, wenn an dem Steuereingang
IN (Pin2) Massepotential anliegt.
Fließt durch die Zenerdiode kein
Strom, könnte man annehmen,
dass man den BTS555 auch ohne
Transistorstufen betreiben könnte.
So wurde die Schaltung zunächst
auch geplant, es zeigte sich jedoch,
dass an Pin 2 dann statt Null Volt
0,2 Volt zu messen waren – der
BTS555 schaltete bereits durch,
auch bei Überspannung. So wurden
die beiden invertierenden Transistorstufen eingefügt und damit klare
Die Schaltung
Überspannungsschutz per Brechstange: Crowbar-Schaltung.
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Betrachten wir das Schaltbild: Am
Spannungseingang (links) zeigt
eine 2-mA-LED eine anliegende
Spannung an. Der Vorwiderstand ist
auf 15 Volt berechnet. 15 Volt und
2 mA ergeben 7,5 kOhm (andere
Schreibweise: 7k5), hier kommt der
nächst höhere Wert von 8k2 zur An-
Das Schaltbild des Überspannungsschutzes.
amateurfunk 2017
Verhältnisse an Pin 2 geschaffen. Im
Normalfall (keine Überspannung)
fließt ideal kein Strom durch die
Zenerdiode. Q1 wird nicht angesteuert und Q2 „sieht“ an seinem
Basiswiderstand eine Spannung in
Höhe der Eingangsspannung. Q2
schaltet durch und legt den Steuereingang des BTS555 auf Masse. Bei
erkannter Überspannung fließt ein
Strom durch die Zenerdiode und die
Dioden, schaltet Q1 (BC548 oder
äquivalent) durch und es fließt ein
Strom durch R3 (4k7), R4 „sieht“
Massepotential, Q2 kann nicht
durchsteuern und sperrt. Damit wird
der BTS555-Steuereingang an Pin 2
von GND getrennt mit der Folge,
dass der Fluss des Stromes zu den
Ausgangsklemmen vom BTS555
unterbrochen wird.
Am Ausgang sehen wir wieder
eine LED, die anzeigt, ob der Ausgang Spannung hat (keine Überspannung, LED leuchtet) oder
nicht. Die Leistungsdiode 1N5400
(oder 1N5408 bzw. ähnliche Ty-
ten beabsichtigt. Dann muss auch
der BTS555 mit der Leiterbahn
der Bestückungsseite verschraubt
werden, weil dessen Flansch (engl.
tab) den Hochstromeingang des
BTS555 darstellt. Bei Strömen über
20 Ampere oder bei Dauerlast sollte
man dem BTS555 einen Kühlkörper gönnen. Der Innenwiderstand
des BTS555 (Rdson) beträgt nur 2,5
Milliohm, der Spannungsabfall am
BTS555 ist daher vernachlässigbar
klein. Bei sehr hohen Strömen wird
aber ein geringer Teil der Leistung
in Wärme umgesetzt:
Beispiel 20 Ampere für ein
Funkgerät:
P = I2 * R
P = 20 A * 20 A * 0,0025 Ohm
= 1 Watt
Bei 20 Ampere wird im BTS555
lediglich 1 Watt in Wärme umgesetzt.
Bestückungsplan: So positionieren Sie die Bauelemente auf der Platine. Drahtbrücken sind rot gezeichnet.
pen) sorgen bei induktiven Lasten
für den Schutz der Schaltung vor
Induktionsströme beim Abschalten der induktiven Last (Motoren,
Relais etc.). Wie beschrieben, kann
die maximal tolerierte Spannung
durch eine geeignete Wahl von
Z-Diode und einer oder zweier
Dioden 1N4148 eingestellt werden.
Wird die optische Anzeige der LED
nicht gewünscht, können LEDs
und die Vorwiderstände entfallen.
Soll beispielsweise ein Funkgerät
geschützt werden, so kann man
auf den Einbau der Schutzdiode
im Ausgang verzichten.
Keinesfalls verzichten sollte man
auf breite und mit Silberdraht oder
Lötzinn verstärkte Leiterbahnen,
wenn man hohe Ströme zu schalamateurfunk 2017
Aufbau und Platine
Die Montage dieser überschaubaren
Zahl von Bauelementen kann bequem auf einer Lochrasterplatine
Blockdiagramm des BTS555.
die Temperatur des BTS555 zu
messen. Gegebenenfalls muss ein
Kühlblech nachgerüstet werden.
Literatur/Verweise:
[1] Bezugsquelle BTS555: z. B. Reichelt Elektronik, Sande, Homepage:
www.reichelt.de
Bestückungshilfe: Lage von Anode
und Kathode bei einer Leuchtdiode.
erfolgen. Alternativ steht ein Layout
zur Verfügung, das wahlweise als
zweiseitige oder einseitige Platine
geätzt werden kann. Wird die doppelseitige Platine bevorzugt - Sie
finden die Eagle-Dateien auf der
Heft-DVD - dient die isolierte
Kupferfläche auf der Bestückungsseite dem BTS555 als Kühlfläche.
Das einseitige Layout verzichtet
darauf, daher muss die einzige –
und stromführende – Drahtbrücke auf der Bestückungsseite mit
Silberdraht ausgeführt werden.
Eine Bestückung der bedrahteten
Bauelemente geschieht, beginnend
mit den Widerständen, die Dioden
und endet, nachdem die Funktion
der Schaltung überprüft wurde, mit
der liegenden Montage des BTS555.
Zur abschließenden Prüfung der
Schaltung schließen Sie bitte eine
kleine Last (Glühbirne, Widerstand
etc.) an den Ausgang an, da der
BTS555 nicht auf Änderungen an
Pin 2 reagiert, wenn der Ausgang
gänzlich unbeschaltet ist. Haben Sie
die LED und deren Vorwiderstände
bestückt, reicht das als Last bereits
aus. Anhand der LEDs lässt sich
die Funktion der Schaltung leicht
überprüfen. Ist alles in Ordnung,
schließt sich ein Leistungstest der
Schaltung an, etwa an einem Funkgerät. Dabei ist im Sendebetrieb – es
fließt viel Strom - ab und zu einmal
Michael Wöste, DL1DMW
Der BTS555 Internes
Der von Infineon produzierte
BTS555 bezeichnet sich selbst
als Smart Highside High Current
Power Switch, was übersetzt etwa
bedeutet, dass es sich um einen
intelligenten Hochstromschalter
handelt, der auf der Spannung
führenden Seite einer Schaltung
zum Einsatz kommt (Im Gegensatz zu Lowside-Schaltern,
die GND schalten). Der Betriebsspannungsbereich beträgt
5 bis 34 Volt, für diesen Bereich
verfügt der BTS555 über eine
lastseitige Kurzschlussschutzschaltung. Die spricht bei 520
Ampere an, der maximale Laststrom darf bis zu 165 Ampere
(!) betragen, sofern Pin 1 und
Pin 5 für den Ausgang sowie
Pin 3 und der Flansch für den
Stromeingang verwendet werden
und der Rest der Schaltung (insbesondere die Leitungsführung)
darauf ausgelegt sind. Wie das
interne Blockschaltbild (siehe
unten) zeigt, bilden verschiedene Schaltungsblöcke Schutz
vor Überspannung (mehr als
62 Volt), Übertemperatur und
ähnlich misslichen Betriebssituationen. Zudem sorgt die
Ladungspumpe (charge pump)
dafür, dass das Gate des N-KanalFET mit der korrekten Steuerspannung versorgt wird, damit
er voll durchschaltet. Nur dann
beträgt sein Innenwiderstand
1,9 mOhm bis max. 2,5 mOhm.
Der IC ist im 5-poligen TO218-Gehäuse sowohl mit den
Anschlusspins in einer Reihe als
auch mit versetzten Anschlüssen
erhältlich. Gleichgültig, welche
Bauform geliefert wird, mit ein
wenig vorsichtigem Verbiegen
der Pins passen sie ins Layout.
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