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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik einfache Verpolungs-/Überspannungsschutzschaltung so möglich?


Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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Hallo,

stehe gerade vor dem Problem eine sehr teure Kamera mit einem 
Überspannungs und Verpolungsschutz auszustatten. Erst war dafür ein 
DC/DC von 12V auf 12V geplant, wurde dann aber verworfen, da die Kamera 
+ Beleuchtung (die auch geschützt werden muss) über 10A zieht.
Jetzt habe ich mir den Schaltplan im Anhang überlegt, weiß aber nicht ob 
der auch genau tut was ich gern hätte.
Meine Befürchtung ist, dass die Z-Diode schon bei 13,5V genug Strom 
leitet und den MOSFET auf halboffen hält, was zur Folge hat, dass er zu 
heiß wird...
Den Widerstand würde ich so dimensionieren, dass es bei Verpolung die 
Z_Diode nicht rösten wird.
Wäre super wenn ihr euch den Plan mal anschauen könntet und 
Verbesserungen vorschlagen würdet

Gruß
Kai

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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rechts unten gehört natürlich ein - hin
hier der aktualisierte Schaltplan

Autor: ehrnsperger (Gast)
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Verpolungs und Überspannungsschutz?

Also in der Konstellation wird der Widerstand sehr groß sein (Leistung). 
Außerdem wird meines Erachtens dein Fall mit dem halboffenen 
Sperrschicht FET zutreffen.

Funktioniert ne Diode in Reihe für die Verpolung und ne Transzorpdiode 
oder ein Varistor parallel für Überspannungen nicht besser?

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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eine Diode würde theoretisch auch reichen, müsste allerdings 
entsprechend groß sein (wäre nicht so das Problem)
allerdings denke ich nicht, dass eine Suppressordiode für den Job 
geeignet ist, weil sie nur für kurze Überspannungen geeignet ist, 
außerdem hängt am Eingang ein Bleiakku, der bis zu 14,5V geladen werden 
darf. Jetzt will ich den auch laden lassen, allerdings soll die 
Schaltung dahinter (am Ausgang) nicht mehr mit Spannung versorgt werden, 
weil sie ein absolute maximum rating von 14V hat.
Gibt es nicht vielleicht eine Möglichkeit den halboffenen Zustand zu 
verkürzen?

Autor: jochen64 (Gast)
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Was soll es eigentlich für ein FET sein? Ich kenn das Symbol mit dem 
abgewinkelten Gate gar nicht. Ist es eine Source- oder eine Drain- 
Schaltung?

Wenn ich das richtig sehe, hast Du bei
   richtiger Polung  Ug = -12V
   falscher Polung   Ug = +0.7V
Sperrschicht FETs kenn ich nur als selbstleitend: Dann wäre dein FET 
also bei falscher Polung schon leitend.

Was ist wenn die Eingangspannung schwankt? Da gibt es doch sicher 
Betriebspunkte wo der FET halb leitend wird.

Wie wäre es mit einer Kombination aus Diode und Schmelzsicherung, wo bei 
falscher Polung die Sicherung durchbrennt?

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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das Symbol soll für einen selbstsperrenden P-Kanal MOSFET stehen, d.h er 
leitet bei einer Ugs von ca -12V nicht aber bei +0,7V

>> Was ist wenn die Eingangspannung schwankt? Da gibt es doch sicher
>> Betriebspunkte wo der FET halb leitend wird.

Das mit dem halb leitend ist ja genau mein Problem, ich weiß nur nicht 
wie stark das ist und ob es vielleicht durch irgendeine Zuschaltung 
möglich ist diesen Spannungsbereich zu verkleinern

>> Wie wäre es mit einer Kombination aus Diode und Schmelzsicherung, wo bei
>> falscher Polung die Sicherung durchbrennt?

Ich verstehe nicht wie das funktionieren soll, eine Schmelzsicherung ist 
eigentlich nur als Kurzschlussschutz am Ausgang eingeplant, nicht aber 
als Überspannungschutz

Autor: Roland Praml (pram)
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Du willst zu der Sicherung noch Transzorb/Supressordioden, sowie eine 
Crowbar verwenden.

Gruß
Roland

Autor: jochen64 (Gast)
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>>> Wie wäre es mit einer Kombination aus Diode und Schmelzsicherung, wo bei
>>> falscher Polung die Sicherung durchbrennt?

>Ich verstehe nicht wie das funktionieren soll, eine Schmelzsicherung ist
>eigentlich nur als Kurzschlussschutz am Ausgang eingeplant, nicht aber
>als Überspannungschutz

Die Diode hinter die Schmelzsicherung, parallel zum Ausgang. Wenn man 
die Eingangsspannung verpolt, wird sie über diese Diode kurzgeschlossen, 
dabei brennt die (schnelle!) Schmelzsicherung durch.

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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>>> Wie wäre es mit einer Kombination aus Diode und Schmelzsicherung, wo bei
>>> falscher Polung die Sicherung durchbrennt?

>> Ich verstehe nicht wie das funktionieren soll, eine Schmelzsicherung ist
>> eigentlich nur als Kurzschlussschutz am Ausgang eingeplant, nicht aber
>> als Überspannungschutz

> Die Diode hinter die Schmelzsicherung, parallel zum Ausgang. Wenn man
> die Eingangsspannung verpolt, wird sie über diese Diode kurzgeschlossen,
> dabei brennt die (schnelle!) Schmelzsicherung durch.

damit wäre zwar das Verpolungsproblem gelöst, aber das ist ja gar nicht 
das Problem, das tut doch schon mit dem p-Kanal MOSFET

> Du willst zu der Sicherung noch Transzorb/Supressordioden, sowie eine
> Crowbar verwenden.

genau sowas habe ich gesucht, das mit der Sicherung, die man ersetzen 
muss ist zwar unschön, aber sowas funktionert wenigstens :)
Auf wiki wurde ein LM431 verwendet, mal sehen ob ich den in meine 
Schaltung auch noch einbauen kann um diese so zu optimieren, dass eben 
nur der MOSFET sperrt

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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wie ich das jetzt sehe müsste es doch möglich sein die Zenerdiode in 
meiner Schaltung (erster Post) durch den LM431 zu ersetzen, da dieser 
Baustein eine "sharp turn-on characteristic" hat, außerdem könnte ich 
die Durchbruchspannung auf jeden beliebigen Wert einstellen

Autor: jochen64 (Gast)
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Das mit dem Überspannungsschutz hab ich wohl eben überlesen - hab auch 
erst jetzt deine Schaltung wirklich verstanden. Also die R-ZD 
Kombination soll nicht nur die Steuerspannung für den MOSFET erzeugen, 
sondern eben auch aktiv die Überspannung begrenzen? Da kommt es dann 
natürlich auf die Impedanz der Spannungsquelle an, wieviel Strom da 
fliesst. Und der Widerstand müsste sehr klein sein, eben nur grade so 
viel um den Durchlasstrom der ZD bei Verpolung zu begrenzen.

Wichtig ist die Frage, ob bei Überspannung abgeschaltet werden darf oder 
nicht.

Wenn nicht abgeschaltet werden darf, dann muss irgendwie der Strom 
abgeleitet werden - dazu darf aber auch die Impedanz der Quelle nicht zu 
niedrig sein. Um wirklich sauber zu sein, müsste noch eine steuerbare 
Impedanz am Eingang in Reihe liegen, aber dann wirds gleich wieder 
aufwändiger.

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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abschalten ist kein Problem, dann geht die Kamera eben nicht mehr und 
die Überspannung ist sogar gewünscht um den Akku am Eingang zu laden.
Wenn ich anstatt der Z-Diode einen LM431 benuzte, muss ich eventuell 
noch eine Diode in Sperrrichtung schalten um den Verpolungsschutz 
aufrecht zu erhalten, der LM431 wird sich rückwärts wohl nicht wie eine 
Diode verhalten

Autor: jochen64 (Gast)
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Zum Abschalten bräuchte man natürlich eine Komparatorschaltung, und 
schnell genug müsste die auch sein - also schon etwas aufwändiger.

Ich würde aber mal sagen, Dein Vorschlag ist gar nicht so schlecht. 
Vielleicht kannst du sogar auf den MOSFET verzichten, weil die ZD ja 
auch bei Verpolung auf 0.7V (na ja, sagen wir mal 0.8 .. 1 V bei den 
Strömen) Durchlassspannung begrenzt.

Schau Dir aber auf jeden fall noch mal die Impedanz Deiner Stromquelle 
an: Die muss deutlich grösser sein als der Widerstand, und der wiederum 
muss so gross sein, das der Durchlasstrom der Z-Diode begrenz wird.

Und wenn Spannungsverluste nicht so kritisch sind, dann kannst du ja 
vielleicht den "-" Pol vom Ausgang direkt an die ZD legen, das schirmt 
zusätzlich Überspannung ab.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Was soll es eigentlich für ein FET sein? Ich kenn das Symbol mit dem
>abgewinkelten Gate gar nicht


Das ist ein Unijunktiontransistor was viele juengere Elektroniker nicht 
mehr kennen duerften. Wurde frueher viel fuer Kippschaltungen 
eingesetzt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Unijunctiontransistor

Gruss Helmi

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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> Das ist ein Unijunktiontransistor

sollte aber keiner sein, ich hab den Schaltplan mit openoffice 
zusammengeklickt, da ist das eben ein p-kanal FET. Bin auch noch ein 
weitesgehend junger E-Techniker :)

> Schau Dir aber auf jeden fall noch mal die Impedanz Deiner Stromquelle
> an
meine Stromquelle sind zwei Bleiakkus mit 8Ah (parallel geschaltet), die 
hin und wieder über ein Labornetzteil geladen werden. Was weiß ich was 
das für eine Impedanz hat :(

> Zum Abschalten bräuchte man natürlich eine Komparatorschaltung, und
> schnell genug müsste die auch sein - also schon etwas aufwändiger.

der LM431 sollte doch genau das tun. wenn ich das richtig verstanden hat 
verhält er sich wie eine einstellbare ideale ZDiode

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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habs jetzt nochmal gemalt, so müsste das doch klappen oder?

Autor: jochen64 (Gast)
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Auch wenn Du die Impedanz nicht kennst - die ist wichtig!
Denn sie bestimmt, wie hoch der Strom ist, der durch deinen LM431 
fliessen muss, damit die Spannung Deiner Batterie von z.B. 13V auf 12V 
einbricht. Die Impedanz ist übrigens nicht konstant, sondern hängt von 
Ladezustand und Temparatur der Batterie ab.

Ich kenn den LM431 nicht - aber schau Dir noch mal genau an, wie der 
sich bei Verpolung verhält.

Und überleg noch mal, ob Du den MOSFET wirklich brauchst. Vielleicht 
reicht ja schon ein Widerstand in Reihe und eine ZD (oder LM431) 
parallel, da wird die Spannung auch auf -0.7 ... +12V begrenzt.
Der Widerstand in Reihe würde auch als frei wählbare Impedanz fungieren, 
aber leider einen ständigen Spannungsverlust (=Leistungsverlust) 
verursachen.

Ist das Gerät wirklich so sensibel auf Spannungen jenseits der 12V?
Ein geladener 12V Bleiakku liegt ja eigentlich immer so bei 12..13V. Das 
wäre dann schon eher eine Aufgabe für einen Spannungsregler und nicht 
für einen Überspannungsschutz.

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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ich glaube ich habe mich nicht gut genug ausgedrückt, das Gerät verträgt 
Spannungen bis 14V laut absolut maximum ratings, deshalb ist eine 
Spannung von 13V auch noch voll OK. Ich wollte den LM431 einfach so 
einstellen, dass er bei 13,7V schaltet, dadurch schaltet dann der MOSFET 
ab und die Geräte bekommen keinen Strom mehr. Ich will die Spannung also 
nicht herunterregeln, sondern nur abschalten wenn die Spannung zu hoch 
wird.
Dadurch, dass eine Batterie im Leerlauf immer eine höhere Spannung hat 
als an einer Last, habe ich auch noch den netten Seiteneffekt, dass es 
eine "natürliche Hysterese" gibt.
Ich glaube ehrlich gesagt nicht, dass das hier irgendwas mit der 
Impedanz der Spannungsquelle zu tun hat, da über den LM431 fast kein 
Strom fließt

Kai

Autor: jochen64 (Gast)
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Ok,

wenn der Ausgangsspannungsbereich bis 14V geht, dann passt das ja schon.
Probier am besten mal mit 'nem einstellbaren Netzteil am Eingang und ner 
12V Glühlampe am Ausgang aus, was bei Überspannung und Verpolung 
passiert.

Autor: Kai Franke (kai-) Benutzerseite
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dann werd ich mir den LM mal bestellen, das mit der Glühlampe ist eine 
gute Idee, das wird meinem Chef imponieren :D
danke an alle für die Hilfe

Autor: Friedrich Weber (opafritz)
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Hallo Frank,
wenn man den ganzen Beiträge liest kriegt man die restlichen grauen 
Haare.
Gesucht ware eine Verpolungsschaltung z.B. mit FET. Im Anhang habe ich 
ein erprobte Schaltung mit P Kanal FET gezeigt, bei positiver Spannung 
leitet der FET voll und bei falscher Polung, also Minus oben sperrt die 
Schaltung.Sicherung ist nicht erforderlich. Das richtige 
Unijunction-Symbol habe ich auch mit geliefert. Der stammt aus 
längstvergangenen Tagen ist kein FET. Kontakt per EMAIL 
Fritz-Weber@t-online.de
Viel Erfolg

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