Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Überspannungsschutz mit Z/TVS Diode


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von Felix N. (felno)


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Hallo Zusammen,

nachdem mir nach wiederholtem male die LED's in meine Motorradtacho 
durchgebrannt sind, wollte ich die vor Überspannungen schützen.

Ich habe in diversen Posts schon einiges gelesen, habe allerdings 
Probleme das ganze korrekt auszulegen.

Geschützt werden soll der gesamte Tacho indem ich das Zündungsplus zum 
Tacho mit einer Z-Diode / TVS-Diode und einem Widerstand schütze.

Das Boardnetz schwankt je nach Last zwischen 13-14,4V.
Der Tacho kann wohl ohne Probleme bis 15V, sodass ich alles darüber 
gerne kappen würde.

In der angehängten Skizze ist die geplante Schaltung dargestellt.

Probleme habe ich bei der Auslegung des Widerstandes und der Z-Diode.
Wäre eine TVS Diode anstelle einer Z-Diode besser/schneller?
Neben der Berechnung/Herleitung würde ich mich auch über 
Bauteilempfehlungen freuen.

Als Diode hatte ich an sowas gedacht:
https://www.mouser.de/ProductDetail/Littelfuse/P6KE15A-TB?qs=sGAEpiMZZMsItbzKdwyIexOeqgdNqyv4D%2fLEWI%2fWggHrgt%2fHRjDjlg%3d%3d

Vielen Dank
Felno

von Falk B. (falk)


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@Felix N. (felno)

>nachdem mir nach wiederholtem male die LED's in meine Motorradtacho
>durchgebrannt sind, wollte ich die vor Überspannungen schützen.

Hmm.


>Geschützt werden soll der gesamte Tacho indem ich das Zündungsplus zum
>Tacho mit einer Z-Diode / TVS-Diode und einem Widerstand schütze.

Schalt mal dort auch einen Kondensator parallel zur Diode, sagen wir 
100nF Keramik. Der schluckt auch transiente Energie.

>Probleme habe ich bei der Auslegung des Widerstandes und der Z-Diode.
>Wäre eine TVS Diode anstelle einer Z-Diode besser/schneller?

Besser, weil sie mehr Pulsleistung verträgt.

>https://www.mouser.de/ProductDetail/Littelfuse/P6K...

Im Prinzip ja, praktisch muss man aber sehen, daß die bei 15V noch GAR 
NICHTS begrenzt. Der Schutz wird erst bei ca. 21V erreicht, dann kann 
sie kurzzeitig bis zu 28A schlucken. D.h. auch, daß deine Schaltung 21V 
als kurzen Puls aushalten muß.

Den Widerstand brauchst du eigentlich nicht. Je nachdem wieviel dein 
Tacho zieht, kann man eine Handvoll Ohm als Angstwiderstand reinmachen.

von georg (Gast)


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Felix N. schrieb:
> Der Tacho kann wohl ohne Probleme bis 15V, sodass ich alles darüber
> gerne kappen würde.

Wie Falk schon angemerkt hat, so genau arbeiten TVS-Dioden nicht (und 
Zenerdioden auch nicht). Je nach Impulsstrom können mehr als 20 V 
anliegen, aber in der Praxis reicht das meistens, um Schäden zu 
verhindern. Speziell Automotiv-Elektronik darf nicht so empfindlich 
sein.

Um Impulse genau bei 15 V abzuschneiden wäre eine komplexere Schaltung 
notwendig, z.B. mit Komparator und Thyristor. Ich würde es erst mal 
drauf ankommen lassen.

Georg

von Felix N. (felno)


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Hallo,

schonmal danke für die Antworten, jetzt muss ich nochmal 
verständnishalber Fragen.

Es gilt für Zenerdioden.

Stand-Down Voltage: Bis dahin sperrt die Diode
Breakdown Voltage (Min/Max): In diesem Bereich fängt die Diode an zu 
leiten
Maximum Clamping Voltage at I_PPM: Maximale Spannung bis welche die 
Diode betrieben werden darf, oder? Oder ist sie ab hier erst komplett 
leitend?

Der Widerstand dient in der geplanten Schaltung dient lediglich dem 
Schutz der Diode, damit diese nach dem Entsperren nicht ihren maximalen 
Strom überschreitet.

Grüße
Felix

von georg (Gast)


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Felix N. schrieb:
> Der Widerstand dient in der geplanten Schaltung dient lediglich dem
> Schutz der Diode

Das ist i.d.R. nicht machbar, besonders nicht bei Zenerdioden - sonst 
wird der Spannungsabfall im Normalbetrieb zu hoch. Muss man rechnen.

TVS-Dioden schliessen bei Überlastung normalerweise kurz und müssen dann 
ausgewechselt werden, aber besser das als der ganze Rest 
(Opferschaltung). TVS-Dioden vertragen aber ziemlich hohe Ströme, weit 
mehr als Zenerdioden, jedenfalls kurzfristig.

Georg

von Klaus R. (klara)


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Felix N. schrieb:
> Geschützt werden soll der gesamte Tacho indem ich das Zündungsplus zum
> Tacho mit einer Z-Diode / TVS-Diode und einem Widerstand schütze.

Der einfache Schutz mit Z-Diode oder TVS-Diode ist wohl doch nicht so 
leicht umsetzbar.

Ich habe Dir mal einen einstellbaren LDO herausgesucht.

https://www.reichelt.de/ldo-spannungsregler-1-24-29-v-dil-8-lp-2951-acn-p187894.html?&trstct=pos_10
http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/LP2951-TI.pdf

Auf Seite 23 siehst Du eine entsprechende Schaltung.

Der LDO verträgt bis zu 30V. Hierfür findest Du sicher eine passende 
TVS-Diode. Es muß ja jetzt nur noch ein extremer Impuls begrenzt werden, 
der eingentlich nur selten auftreten sollte.

Der LDO benötigt bei 100 mA mindestens 380 mV Spannung zum Arbeiten. 
Also wenn Du 12 V ausgeben möchtest, dann brauchst Du dafür 12,38 V im 
Boardnetz.

Stellst Du den LDO auf 11,62 V, dann muss das Boardnetz 12,0 V haben. 
Usw...

Der LDO hat eine Strombegrenzung. Es können so nur noch max. 200 mA 
fliessen.
mfg klaus

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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georg schrieb:
> TVS-Dioden schliessen bei Überlastung normalerweise kurz und müssen dann
> ausgewechselt werden

Das wäre mir neu. Meine TVS-Dioden haben einen scharfen Knick in der 
Kennlinie und werden oberhalb einer Schwellspannung schlagartig 
niederohmig. Bei Unterschreitung der Schwellspannung sind sie wieder 
ziemlich hochohmig. Das können sie auch mehrmals hintereinander, nahezu 
beliebig oft. Ich kombiniere sie daher noch oft mit einem PPTC, um die 
Zerstörung der Quelle zu vermeiden. So ist das Standard etwa bei 
USB-Eingängen (unipolare Variante).

Varistoren sind da empfindlicher. Die werden tatsächlich durch jedes 
Überspannungsereignis proportional zur Energiemenge abgetragen. Sie 
können folglich auch schlagartig abbrennen und sind dann ein veritabler 
Kurzschluss.

Bzgl. des LED-Sterbens interessiert mich der Anschluss/ Betrieb der 
LEDs. Üblicherweise kann man Konstantstromsenken wie NSI450 (OnSemi) 
einsetzen. Das sind kleine Zweibeiner, die wie eine Diode aussehen. Die 
verkraften überlicherweise auch Automotive-Konditionen und sind im 
Cent-Bereich erhältlich. Das ist um Längen besser als ein simpler 
Vorwiderstand. Kurze Spannungsspitzen kann eine LED schon ab (daraus 
würde ein Impulsstrom). Vielleicht wurde die LED der Helligkeit wegen 
mit höherem Strom beschickt und arbeitet bisserl an der Grenze. Eine 
20mA-LED würde ich in dem Umfeld nur mit 5, max. 10mA Strom beschicken 
und eine ausreichend lichtstarke einsetzen (2.000-4.000mcd). Sollte bei 
Sonne auch noch gut zu sehen sein.

von Felix N. (felno)


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Hallo Klaus,

danke für deinen Lösungsvorschlag, leider komme ich mit dem Schaltbild 
an meine Elektrotechnik Grenzen. Ich verstehe, dass ich mit zwei 
widerständen die Spannung regulieren kann. Aber woher kommt der ganze 
andere Rest V_REF usw? Muss ich das komplett so aufbauen? Ich habe da 
nen dauerplus ~13V und ne Masseleitung...


Hallo Boris,

die LED's sind in dem Insturment fest auf einer platine verlötet, da 
kann ich ist nicht wirklich platz für zusäzliches...

Verbaut sind die hier:
https://de.rs-online.com/web/p/leds-sichtbares-licht/7173874/?relevancy-data=636F3D3126696E3D4931384E525353746F636B4E756D626572266C753D656E266D6D3D6D61746368616C6C26706D3D5E282872737C5253295B205D3F293F2832355C647B387D7C32355C647B317D5C2D5C647B377D7C5C647B337D5B5C2D5D3F5C647B332C347D5B70505D3F292426706F3D3126736E3D592673723D2673743D52535F53544F434B5F4E554D4245522677633D4E4F4E45267573743D37313733383734267374613D3731373338373426

Daher versuche ich den ganzen Tacho zu schützen. Mit kleinen 
Drahtstiften könnte ich ggf noch was parallel zu den LED's auf deren 
Füße löten...Aber ob es da Lösungen gibt...da ist mein Latein am Ende.

Grüße

von Felix N. (felno)


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Würde mir dieses Bauteil die Spannung einfach konstant auf 12V Regeln?! 
Was passiert wenn V_in unterhalb von 12V liegt?

https://www.reichelt.de/spannungsregler-12v-1a-to-220-lm-2940-ct12-p39453.html?&trstct=pos_0

Spannungspitzen sollte das auch abkönnen?

LG
Felix

von Thomas O. (kosmos)


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in diesem Vergleich zw. Transil-Diode und Varistor sieht man was 
letztendlich noch durchkommt.
https://www.st.com/resource/en/application_note/cd00005042.pdf

Ich würde die Verkabelung des Tachos erstmal so auslegen das da aufgrund 
des Spannungsabfalls schon gar nicht soviel über 12V ankommt.

Da die Dioden kurzzeitig ja schon etwas abkönnen reicht da ein 
niederohmiger Widerstand(evtl. auch eine Drosselspule) die dann 
gleichzeitig als Tiefpass wirkt und durch Ihren Widerstand die Diode vor 
Überlastung zu schützen.

Aber was oben geschrieben wird ist falsch eine Diode schaltet man nie so 
das sie einen Kurzschluß erzeugt, da sie sonst selber kaputt geht. 
Entweder man setzt eine Sicherung davor was aber eher ärgerlich ist wenn 
diese ständig getauscht werden muss oder man begrenzt den Strom durch 
die Diode z.B. durch einen Widerstand.

von Roland K. (rolandk1)


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Wie sind Deine LED's denn angeschlossen, mehrere in Reihe, 
Vorwiderstand?

Deine LEDs vertragen einen Surgestrom bis 300mA für 10 µs. Da sollte 
also nichts passieren.

Aber: "Not designed for reverse operation".
Du brauchst also eine Schutzdiode in Sperrrichtung (sonst leuchtet die 
LED nicht mehr) parallel zu jeder LED. 1N4148 tuts zur Not. Bei 
negativer Spannung fließt der Strom dann durch die Schutzdiode und den 
Vorwiderstand.

Hinweis dazu: in einem KFZ Bordnetz treten positive wie negative 
Spannungsspitzten bis 100V auf. Die negativen killen Deine LEDs 
zuverlässig.

Ist ein sehr beliebter Design-Fehler.

von oszi40 (Gast)


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Roland K. schrieb:
> Du brauchst also eine Schutzdiode in Sperrrichtung

Du hast den Finger in der Wunde. Wenn z.B. die Zündung ausgeschaltet 
wird, kommt eine böse Abschaltspannung umgekehrter Polarität. Das werden 
diese LEDs wohl öfter nicht vertragen haben...
Rest siehe auch dse-faq F.23 
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23

von Felix N. (felno)


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Ahoi,

ich habe mich für die Lösungsvariante in diesem Beitrag 
entschieden...nach langem suchen.

Beitrag "Von 12V Batterie auf saubere 12,0V stabilisieren"

Beitrag von Bernd K. (bmk)

So setze ich das nun erstmal um, in der Hoffnung, dass es in Zukunft 
keine Probleme mehr gibt.

Grüße
Felix

von Klaus R. (klara)


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Felix N. schrieb:
> Würde mir dieses Bauteil die Spannung einfach konstant auf 12V Regeln?!
> Was passiert wenn V_in unterhalb von 12V liegt?
>
> 
https://www.reichelt.de/spannungsregler-12v-1a-to-220-lm-2940-ct12-p39453.html?&trstct=pos_0

Unter 12,3 V kommt nichts mehr heraus.

Der lm2940 ist zwar auch ein LDO, hat aber eine feste Spannung. Deswegen 
hatte ich einen regelbaren LDO vorgeschlagen um auch bei 12 V noch etwas 
herauszubekommen.

Felix N. schrieb:
> Beitrag "Von 12V Batterie auf saubere 12,0V stabilisieren"

Damit wird der LDO hinreichend gegen Überspannung geschützt.
mfg klaus

von Felix N. (felno)


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Hallo Klaus,

danke für den Hinweis. Das sollte klein Problem sein. Die Lichtmaschine 
sollte immer zwischen 13-14,4 V liefern und die Batterie sollte, außer 
Sie ist mehr oder weniger entladen auch die 12,3V schaffen. Der Tacho 
muss sowieso erst laufen wenn die Maschiene an ist ;D

Ich hatte in diversen Beiträgen auch gelesen, dass der bei Unterspannung 
die mit dem Drop rausgibt.

Beitrag "Von 12V Batterie auf saubere 12,0V stabilisieren"

in dem Thread ist dazu auch eine Kurve.

Grüße
Felix

von Felix N. (felno)


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Ahoi,

als Info für alle Interessierten.

Die hier von Bernd K. beschriebene Lösung hat wunderbar funktioniert.
Beitrag "Von 12V Batterie auf saubere 12,0V stabilisieren"

Auch unterhalb von 12V kommt eine nur gering abweichende Spannung 
heraus.

Viele Grüße
Felix

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