RC-Snubber

Du misst am Schaltknoten deines Abwärtswandlers und siehst bei jeder Einschaltflanke eine Schwingung mit 100 MHz und Spitzen von 22 V – bei einer Eingangsspannung von 12 V. Die Spitzen belasten die MOSFETs, die Schwingung strahlt ab und landet als Störung im UKW-Radio oder bei der EMV-Prüfung. Ursache ist ein Schwingkreis, den niemand gezeichnet hat: die Induktivität der Leiterbahnen und Gehäuse zusammen mit der Ausgangskapazität der Transistoren.

Ein RC-Snubber – ein Widerstand in Reihe mit einem Kondensator, parallel zur schwingenden Stelle – nimmt diesem Kreis die Energie. Das englische „snub“ heißt so viel wie „abwürgen“. Dieselbe Schaltung findest du über Relaiskontakten, Triacs und Gleichrichterdioden, dort oft als Funkenlöschglied oder Boucherot-Glied bezeichnet.

Schaltplan

• T1 und T2, BSZ0909NS: zwei N-Kanal-MOSFETs mit 30 V Sperrspannung als Halbbrücke eines synchronen Abwärtswandlers mit 500 kHz. Ihre Ausgangskapazität von je rund 340 pF ist Teil des ungewollten Schwingkreises.
• L1, 10 μH, und C2, 22 μF: das normale Ausgangsfilter des Wandlers. Für die schnelle Schwingung spielt es keine Rolle.
• R1, 4,7 Ω: ein Festwiderstand in Bauform 1206. Er setzt die Schwingungsenergie in Wärme um.
• C1, 1 nF: ein Keramikkondensator mit C0G-Dielektrikum, 50 V. Er sperrt die Gleichspannung, damit R1 nicht ständig Strom zieht.

So funktioniert die Schaltung

Schaltet T1 ein, springt der Schaltknoten von 0 auf 12 V. Der Strom dafür fließt durch eine Schleife aus Eingangskondensator, T1, T2 und den Leiterbahnen dazwischen. Diese Schleife hat einige Nanohenry Induktivität. Zusammen mit der Ausgangskapazität von T2 bildet sie einen Schwingkreis mit sehr hoher Güte – fast nichts dämpft ihn. Die Spannung schwingt über, bis zum Doppelten der Eingangsspannung, und klingt nur langsam ab.

Ein ohmscher Widerstand parallel zum Kreis würde die Schwingung dämpfen, aber bei jedem Schaltvorgang auch ständig Strom ziehen. Der Kondensator in Reihe löst das: Bei der hohen Schwingfrequenz ist er niederohmig und R1 wirkt; für die Gleichspannung und die langsame Schaltfrequenz ist er klein genug, um nur wenig Ladung zu verschieben.

Am besten dämpft R1, wenn er dem Kennwiderstand des Schwingkreises entspricht:

Kleiner gewählt, schließt er den Kreis kurz und dämpft kaum; größer gewählt, trennt er ihn ab.

Dimensionierung

Die Parasiten L_p und C_p stehen in keinem Datenblatt; du misst sie. Das geht mit der Halbierungsmethode in vier Schritten.

1. Schwingfrequenz messen. Mit dem Oszilloskop direkt am Schaltknoten von T2 misst du die Periode der Schwingung: 10 ns, also f₁ = 100 MHz.

2. Mit einem Testkondensator verstimmen. Du lötest einen Kondensator bekannter Größe parallel zu T2 und probierst Werte, bis die Frequenz auf die Hälfte fällt. Hier gelingt das mit C_add = 1 nF: f₂ = 50 MHz. Weil f mit 1/√C geht, muss die Kapazität jetzt viermal so groß sein wie vorher:

Das passt gut zur Ausgangskapazität des BSZ0909NS, die das Datenblatt mit 340 pF bei 15 V angibt.

3. Induktivität ausrechnen.

4. R und C des Snubbers festlegen.

Den Kondensator wählst du drei- bis viermal so groß wie C_p: Dann ist er bei der Schwingfrequenz niederohmig genug, dass R1 wirkt. Mit C₁ = 1 nF bist du beim Faktor 3.

5. Verlustleistung prüfen. Bei jedem Schaltzyklus wird C1 einmal auf 12 V geladen und wieder entladen. Beide Male setzt R1 die Energie 1/2 · C · U² um:

Ein Widerstand in 0805 mit 125 mW wäre knapp; die Bauform 1206 mit 250 mW lässt Reserve. Bei einer Ausgangsleistung von 10 W kostet der Snubber 0,7 % Wirkungsgrad.

Bauteilliste

Varianten

Snubber über einem Relaiskontakt. Schaltet ein Relais eine Wechselstromlast, etwa einen Motor oder ein Vorschaltgerät, entsteht beim Öffnen ein Lichtbogen. Ein Glied aus 100 Ω und 100 nF parallel zum Kontakt verkürzt ihn und verlängert die Lebensdauer des Relais deutlich. Der Kondensator muss ein X2-Kondensator sein, der Widerstand impulsfest und für Netzspannung zugelassen. Fertige Funkenlöschglieder gibt es als ein Bauteil.

Snubber am Triac. Ein Triac kann durch schnelle Spannungsänderungen ungewollt zünden. Ein RC-Glied parallel begrenzt die Anstiegsgeschwindigkeit, siehe Phasenanschnitt-Dimmer mit Triac.

Gleichstromlasten. Für Relaisspulen, Magnetventile und Motoren an Gleichspannung ist eine Freilaufdiode meist die bessere Wahl. Wann ein Snubber oder eine Z-Diode schneller abschaltet, steht unter Induktive Lasten schnell abschalten.

RCD-Snubber. In Sperrwandlern begrenzt eine Kombination aus Diode, Kondensator und Widerstand die Spannungsspitze der Streuinduktivität des Transformators. Sie klemmt nur eine Polarität und setzt weniger Leistung um.

Typische Fehler

• Falsch gemessen: Die lange Masseleitung des Tastkopfs bildet selbst einen Schwingkreis und zeigt Klingeln, das es gar nicht gibt. Miss mit Massefeder direkt an Source von T2.
• Snubber zu weit weg: Liegt das RC-Glied 2 cm vom MOSFET entfernt, bringt die Leiterbahn eigene Induktivität in den Kreis. R1 und C1 gehören direkt an Drain und Source von T2.
• Kondensator zu groß: Ein 10-nF-Kondensator dämpft gut, verbraucht aber 720 mW, und R1 brennt durch. Rechne immer P = C · U² · f.
• X7R statt C0G: Ein X7R-Kondensator verliert bei 12 V einen Teil seiner Kapazität und erwärmt sich durch seine Verluste. C0G bleibt stabil.
• Ursache ignoriert: Ein großes Klingeln deutet auf eine zu große Schleife hin. Liegt der Eingangskondensator nicht direkt an den MOSFETs, hilft kein Snubber dauerhaft. Hintergründe unter EMV.

Selbsttest