Kfz Spannungsspitzenkiller / Transientenschutz

Dieser Artikel nimmt am Artikelwettbewerb 2012/2013 teil.

Aufgebaute Schaltung

Elektronische Schaltungen, die am Spannungsnetz eines Kraftfahrzeuges betrieben werden, müssen vor Beschädigungen durch zu hohe Spannungsspitzen (auch als Transienten bezeichnet) geschützt werden. Diese einfache Schaltung übernimmt eine solche Schutzfunktion.

Ausgangssituation

In Kraftfahrzeugen (Pkw und Lkw) aber auch bei anderen Fahrzeugen, können kurzzeitig hohe Spannungen auftreten. An der Starterbatterie treten im Regelbetrieb (durch die Arbeit der Lichtmaschine) Spannungsschwankungen zwischen ca. 8 und 14,4 Volt auf. Hinzu kommen aber sehr kurze Transienten, die weitaus größer sein können. Zum Beispiel durch das Schalten eines Relais oder einen Wackelkontakt.

Klemmenbezeichnungen

In Kraftfahrzeugen sind die Klemmenbezeichnungen für bestimmte Signale oder Pole teilweise genormt oder üblich. Die Klemmenbezeichnungen für Kraftfahrzeuge sind in Deutschland in der DIN 72552 genormt. Aber auch abweichende, herstellerspezifische Bezeichnungen sind möglich. Zu den wichtigen Klemmen im Fahrzeug im Rahmen dieses Artikels gehören:

Klemme Nr.	Bedeutung	Farbe (nicht genormt aber üblich)
15	geschaltetes Plus vom Zündstartschalter (wird geschaltet sobald der Zündschalter in die erste oder weitere Stellung gedreht wird)	Schwarz
30	Plusleitung direkt von der (Starter-) Batterie	Rot
31	Masse Batterie/Karosserie	Braun

Selbstentwickelte Elektronik

Soll eine Schaltung im Fahrzeug verwendet werden, sollte schon bei der Entwicklung darauf geachtet werden, daß die Elektronik gegenüber derartigen Störungen geschützt wird. Die nachfolgend gezeigte Schutzschaltung sollte deshalb gleich mit in das Gerät integriert werden.

Problem mit billigen Elektronikgeräten im Fahrzeug

Die meisten (billigen) Zubehörteile, die ihre Spannung aus dem Kfz-Bordnetz beziehen (üblicherweise über den Zigarettenanzünder bzw. die Bordspannungssteckdose), weisen keinen geeigneten Schutz vor den zerstörerischen Überspannungen auf. Zu solchen Geräten gehören u. a. Ladeadapter für Mobiltelefone, Audiowiedergabegeräte, USB Kfz-Adapter aber auch Navigationsgeräte oder die zunehmend beliebten Tagfahrleuchten auf LED-Basis. Solche Geräte weisen oft einen Hinweis darauf auf, daß sie nicht bei laufendem Motor betrieben werden dürfen.

Gerade LED Tagfahrleuchten werden häufig durch sehr kurze Transienten mit hoher Frequenz beschädigt, da die ggf. einfachen integrierten Schutzschaltungen den verbauten Spannungsregler nicht ausreichend vor einer kritischen Überspannung (meistens ab 40 Volt) schützen.

Schutzschaltung

Schaltplan

Die gezeigte Schaltung besteht nur aus zwei Bauteilen: einer Drossel (Spule) und einer (bidirektionalen) Suppressordiode, auch Transil (Markenname von ST Microelectronics), Transient Absorption Zener Diode (TAZ-Diode) oder Transient Voltage Suppressor Diode (TVS-Diode) genannt.

Die Dimensionierung der Bauteile ist so ausgelegt, daß die Schaltung folgende Kenndaten aufweist:

Betriebsspannung typisch	0...23 V
maximale Ausgangsspannung	15,2...16,8 V
Strombelastbarkeit	1,2 A
Belastbarkeit max.	15 W

Bauteile:

Stück	Bezeichner	Dimension	Typ
1	L1	47 µH, 1,2 A	TSL0808-470K1R2
1	D1	TVS 16V	P6KE16CA
3	Flachstecker	6,35 x 0,81 mm	Faston TAB

Funktionsweise

Die Drossel filtert hohe Spannungen mit hoher Frequenz und verhindert so, dass diese an die nachgeschaltete Elektronik weitergeleitet werden. Die Suppressordiode wird bei Spannungen oberhalb ihrer Durchschlagspannung von 15,2 V leitend und schließt den Eingang mit Masse kurz, so dass auch längere Impulse mit zu hoher Spannung abgeleitet werden.

Da die Überspannungsschutzdiode einen Kurzschluß verursacht, ist es wichtig, dass vor der ganzen Schaltung eine passende Schmelzsicherung verbaut wird, die im Falle einer anhaltenden Überspannung und damit einhergehendem Stromfluß durch die Diode geopfert wird. Die Sicherung sollte eine maximale Belastbarkeit von 1 A besizten. Der Transientenschutz darf also nicht direkt an die Fahrzeugbatterie angeschlossen werden.

Aufbau

Platinenlayout (12,5 x 20,5 mm)

Installationsbeispiel

Die Bauteile finden auf einer kleinen einseitigen Platine Platz, welche anschließend ggf. noch in einem kleinen Plastikgehäuse vergossen werden kann. Durch die in der Kfz-Elektronik gängigen Flachsteckerkontakte mit 6,35 mm Breite, die auf der Unterseite eingelötet werden, kann eine einfache Verkabelung des Moduls mit der Bordelektronik erfolgen.

Das abgebildete Installationsbeispiel zeigt, wie das Modul in die Fahrzeugelektronik integriert werden kann. An der Ausgangsseite kann dann die zu betreibende und nun geschützte Last betrieben werden.

Downloads

• Platinenlayout im EAGLE BRD-Format

Kritik

• Löst die Sicherung aus, muss der Benutzer sie tauschen. Bis dahin funktioniert die Schaltung nicht mehr.
• Bei energiereichen Störungen wird die TVS-Diode (und evtl. die Schaltung dahinter) schneller zerstört als die Sicherung auslösen kann.

Diskussionen mit Erklärungen und Tipps zu dem Thema sind unter anderem:

• Spannungsspitzen Auto TVS Diode
• Frage zu "load dump"
• Automotive Problem - Load Dump, Pulse 5
• 5V-Netzteil fürs Auto

Andere Methoden

Es können auch aktive Methoden verwendet werden, bei denen ein ansonsten ständig durchgeschalteter Längstransistor im Falle einer Überspannung bis zu mehreren Hundert Volt für einige Sekundenbruchteile eine Längsregelung vornimmt. Zur Ansteuerung solcher Transistoren gibt es Ansteuer-ICs, die als "Surge Stopper" oder "Surge Stopper Controller" bezeichnet werden.

Beispiel: LTC4361, LT4363, LT4364, LTC4363, LTC4366, LTC4368, LTC4380 oder, anderer Hersteller, LM5069.

Statt der "resistiven" Längsregelung kann auch ein Buck/Step-Down Schaltregler verwendet werden, wie LTC7860