Überspannungsschutz (TVS und Crowbar)

Zwei Arten von Überspannung bedrohen einen Gleichspannungseingang. Die erste ist kurz: eine Spitze beim Einstecken eines Netzteils, ein Stoß aus einer langen Leitung, das Abschalten eines Motors – Mikrosekunden bis Millisekunden, aber viele Volt. Die zweite dauert an: Jemand steckt das 24-V-Netzteil statt des 12-V-Netzteils ein, oder ein Regler davor fällt aus und gibt seine volle Eingangsspannung durch. Gegen beides hilft ein anderes Bauteil.

Gegen kurze Spitzen setzt du eine TVS-Diode ein. Sie leitet ab einer bestimmten Spannung schlagartig und verheizt die Energie der Spitze. Gegen dauerhafte Überspannung hilft die Crowbar, englisch für Brecheisen: Ein Thyristor schließt den Eingang kurz, sobald die Spannung zu hoch wird, und die Sicherung davor brennt durch. Grob, aber wirksam – die Schaltung dahinter bleibt heil. Beide zusammen ergeben einen robusten Eingang für 12-V-Geräte.

Schaltplan

• F1, 2 A flink: Feinsicherung, trennt den Eingang, wenn TH1 kurzschließt. Bei 1 A Betriebsstrom ist sie zu 50 % ausgelastet.
• D1, SMBJ15A: unidirektionale TVS-Diode, 600 W Impulsleistung. Kathode an Plus. Bis 15 V sperrt sie, ab etwa 17 V leitet sie.
• TH1, BT151: Thyristor mit 12 A Dauer- und 100 A Stoßstrom im TO-220. Er bildet das Brecheisen.
• D2, Z-Diode 15 V: legt die Auslöseschwelle fest. Darüber fließt Strom ins Gate von TH1.
• R1, 220 Ω: hält das Gate unterhalb der Schwelle sicher auf Masse und legt fest, wie viel Strom durch D2 fließen muss, bevor TH1 zündet.
• C1, 100 μF / 35 V: Puffer-Elko der Schaltung, mit einer Nennspannung, die auch die Klemmspannung der TVS-Diode verträgt.

So funktioniert die Schaltung

Normalbetrieb. An der Schiene liegen 11,4 bis 13,2 V. D1 lässt höchstens 1 μA durch, D2 sperrt, das Gate von TH1 liegt über R1 auf Masse. Die ganze Schutzschaltung ist unsichtbar.

Kurze Spitze. Steigt die Spannung für einige Mikrosekunden auf 40 V, leitet D1 und hält die Schiene unter etwa 24 V. Die Energie der Spitze wird in D1 zu Wärme. Für TH1 ist die Spitze zu kurz, um gefährlich zu werden; der Puffer-Elko schluckt einen Teil, und die Spannung fällt sofort wieder.

Dauerhafte Überspannung. Steckt jemand ein 24-V-Netzteil ein, steigt die Schiene über die Schwelle von etwa 15,6 V. Durch D2 und R1 fließt so viel Strom, dass an R1 die Gate-Spannung von rund 0,6 V entsteht. TH1 zündet, schließt die Schiene kurz und bleibt gezündet, solange mehr als sein Haltestrom fließt. Die Spannung bricht auf 1 bis 2 V zusammen, der Kurzschlussstrom des Netzteils fließt durch F1 und TH1, und die Sicherung brennt durch. Die Schaltung dahinter hat nur einen kurzen Moment etwas über 15 V gesehen.

Warum zwei Bauteile? Eine TVS-Diode allein würde bei 24 V Dauerspannung so viel Strom ziehen, dass sie in Sekunden durchbrennt – meist als Kurzschluss, dann löst zwar die Sicherung aus, aber erst nach einem heißen Augenblick. Ein Thyristor allein reagiert auf sehr schnelle Spitzen zu träge. Wie die Schwellen zusammenpassen, zeigt die Kennlinie:

Dimensionierung

1. TVS-Diode. Ihre Sperrspannung U_RWM muss über der höchsten Betriebsspannung liegen: 13,2 V, also 15 V. Ihre Klemmspannung bei Nennimpuls, 24,4 V bei 24,6 A, muss die Schaltung dahinter für einige Mikrosekunden aushalten. Ein Regler mit 35 V Eingangsspannung oder ein Buck-Wandler für 36 V tut das, C1 mit 35 V auch.

2. Zündschwelle der Crowbar. Sie liegt bei Z-Spannung plus Gate-Spannung:

Mit den Toleranzen der Z-Diode (±5 %) und des Thyristors (Gate-Spannung bis 1,5 V, Zündstrom bis 15 mA) liegt sie zwischen etwa 15 und 17,5 V. Der Abstand zur höchsten Betriebsspannung von 13,2 V ist groß genug, dass die Crowbar nie im Normalbetrieb auslöst.

3. Gate-Widerstand R1. Er soll im Normalbetrieb den Leckstrom der Z-Diode ableiten und Störspitzen vom Gate fernhalten. Bei typischem Thyristor fließen beim Zünden durch D2:

Das passt zu einer 0,5-W-Z-Diode, die bei 5 mA spezifiziert ist.

4. Thyristor gegen Sicherung. TH1 muss den Kurzschlussstrom tragen, bis F1 durchbrennt. Entscheidend ist das Grenzlastintegral I^2t: Eine flinke 2-A-Feinsicherung schmilzt bei wenigen A²s, der BT151 verträgt 50 A²s. Kann das fremde Netzteil nur 3 bis 5 A liefern, dauert das Auslösen aber bis zu einigen Sekunden. Dann setzt TH1 etwa 1,3 V · 5 A ≈ 6,5 W um. Für Sekunden schafft das ein TO-220 ohne Kühlkörper.

5. Netzteil mit Strombegrenzung. Begrenzt das Netzteil selbst auf 2 A oder weniger, brennt F1 nicht durch. Das ist kein Problem: TH1 hält den Kurzschluss, solange mindestens sein Haltestrom (höchstens 20 mA) fließt, und die Schaltung bleibt spannungslos, bis jemand das Netzteil abzieht.

Bauteilliste

Varianten

Crowbar hinter einem Regler. Die klassische Anwendung: Ein 5-V-Regler versorgt Logik und darf bei einem Defekt nie die volle Eingangsspannung durchlassen. Eine Crowbar mit Z-Diode 5,6 V am Ausgang schließt dann kurz, bevor die Logik stirbt. Die Sicherung sitzt vor dem Regler.

Abschalten statt kurzschließen. Statt einer Sicherung, die getauscht werden muss, kann ein MOSFET in der Plusleitung den Eingang bei Überspannung trennen. Fertige Bausteine wie der LTC4365 kombinieren Überspannungs- und Verpolungsschutz und schalten nach dem Fehler von selbst wieder ein. Verwandt ist die elektronische Sicherung.

Bidirektionale TVS-Diode. Für Signalleitungen, die positiv und negativ sein dürfen, etwa RS-485, gibt es TVS-Dioden mit dem Suffix CA, die in beide Richtungen begrenzen. Für Signaleingänge siehe Eingangsschutz gegen ESD und Überspannung.

Am Netz. Dort übernehmen Varistoren und Überspannungsableiter die Rolle der TVS-Diode. Netzseitige Schutzschaltungen gehören in geprüfte Geräte; selbst gebaute Aufbauten am 230-V-Netz sind lebensgefährlich, siehe Gefahren des elektrischen Stroms.

Verpolung. Der Thyristor schützt nicht vor vertauschten Anschlüssen; bei Verpolung leitet allerdings D1 in Durchlassrichtung und F1 brennt durch. Wer das nicht will, ergänzt einen Verpolungsschutz mit MOSFET.

Typische Fehler

• TVS-Diode zu knapp gewählt: Liegt U_RWM unter der höchsten Betriebsspannung, leitet die Diode schon im Betrieb, wird warm und altert. Immer die höchste Spannung samt Toleranz ansetzen.
• Sicherung fehlt: Ohne F1 hält TH1 den Kurzschluss, bis er oder das Netzteil aufgibt. Die Crowbar funktioniert nur mit einer Sicherung davor.
• Crowbar löst grundlos aus: Störspitzen koppeln ins Gate. Abhilfe: R1 kleiner wählen oder 100 nF parallel zu R1. Das verzögert das Zünden um Mikrosekunden, die TVS-Diode überbrückt diese Zeit.
• Thyristor zündet, aber die Sicherung hält: Das Netzteil begrenzt den Strom. Mit dem Multimeter zwischen Plus und Masse messen: Liegen dort 1 bis 2 V, hat die Crowbar ausgelöst.
• TVS-Diode als Kurzschluss gefunden: Sie hat eine Überlast nicht überlebt und ist durchlegiert – meist das Zeichen für dauerhafte Überspannung ohne Crowbar oder einen zu großen Impuls.

Selbsttest