Überspannungsschutz der 13,8 Volt Spannungsversorgung von Funkgeräten       

Anforderung: Die Möglichkeit einer zu hohen Versorgungsspannung durch ein defektes Netzgerät ist immer gegeben, daher sollte diese Tatsache nicht ignoriert werden. Da verschiedene Netzgeräte am Markt sind (getaktete und sog. lineare Netzgeräte) ist vor allem bei linearen Netzgeräten diese Problematik gegeben. Bei getakteten Netzgeräten ist mir als Techniker kein Fall bekannt wo es zu Überspannung kam. Zu wenig Spannung, keine Leistung oder Totalausfall sind die Regel. Das soll nicht heißen, dass es nicht möglich ist. Der gravierende Nachteil ist, sie generieren ein Störungsraster, das bei einigen Typen mittels Regelung der Taktfrequenz teilweise verschoben werden kann. Das etwas höhere Rauschen und eben dieser Störungsraster führen dazu, dass noch immer diese sog. stillen Netzgeräte auch von mir bevorzugt werden. In der Regel wird hier durch einen oder mehrere sog. “Längstransistoren“ diese Regelung durchgeführt. Bei einem Kurzschluss eines oder mehrerer Längstransistoren wird die gesamte Spannung des Transformators inklusive einer extremen Ladung der Siebelkos auf das Funkgerät gelegt, mit fatalen Folgen bis zum Totalschaden der viele tausend Euro bedeuten kann. Es muss also eine Lösung her die diese Überspannung weitgehend verhindert.

Möglichkeiten und ihre wunden Punkte: Eingangs möchte ich erwähnen, dass ich trotz Nachforschung im www kein lineares Netzteil finden konnte das die eingestellte Spannung am Ausgang im Fehlerfall gegen Überspannung schützt. Die sichere Methode: Man nehme einen sog. Halogentrafo mit ca. 300 VA, diese Trafos liefert am Ausgang in der Regel 11,5V, dann einen Brückengleichrichter mit mindestens 35A und möglichst viele Elkos so dass man auf 100000 µF kommt. Ich hatte dafür einen kleinen Karton mit nicht mehr gebrauchten Elkos bekommen, 25 Stück 4700 µF 16 V und 20 Stück zusammengeschaltet. Nach Abzug des Spannungsabfalls am Gleichrichter und der Spannungsüberhöhung durch die Elkoladung kommt man auf ca. 14,5 V, bis ein Volt über den 13,8 V spielen keine Rolle, die Geräte müssen auch bei laufendem Motor funktionieren denn da wird auch der Akku geladen. Das ging erstaunlich gut, doch die Spannung pulsiert bei Last und man will ja schlussendlich stabile Verhältnisse.

Die gegebene Situation: Ich verwende zur Spannungsversorgung ein EP-925 von Voltcraft (25 A Dauer, 30 A Spitze), kann auch ein Manson sein oder wie die Dinger immer heißen mögen. Die haben nach der Gleichrichtung ca. 27 Volt Gleichspannung am 50000 µF Ladeelko, da schiebt dann noch ein ca. 600 VA Trafo mit einem 50 A Gleichrichter nach. Bei den folgenden Methoden ist Geschwindigkeit einfach alles, denn es gilt, nach Durchbruch eines oder mehrerer Längstransistoren, in meinem Fall 5 x 2N3055, blitzschnell zu reagieren!

Die brutale Methode, welche ich im www gefunden habe: Man nehme einen Komparator (OP) als Schmitt Trigger geschaltet, steuere damit einen Thyristor, der den Ausgang des Netzteil kurzschließt. Die Strombegrenzung des Netzteils ist nicht mehr wirksam, wird ja über die Längstransistoren gemacht, die Netzsicherung fliegt, und das war es dann. Aber reicht diese Schaltzeit wirklich? Nachteil: es gibt für Standardanwendungen Komparatoren welche eine Laufzeit von 4-8 µs haben, der Thyristor hat nochmals, selbst bei schnellen Typen mindestens 1,2 µs Laufzeit. Macht bis zu 10 µs Laufzeit. Es ist auch zu bedenken, dass Thyristoren mit dem max. Gate-Strom beaufschlagt werden müssen um die max. Schaltgeschwindigkeit zu erreichen. Schaltet bereits bei xy mA, ist da zu wenig, das Gate muss mit Ladungsträgern überflutet (gesättigt) werden. Bei meinem Testfall (ein CLA40P1200 von IXYS) waren das min. 300 mA, um die 1,2 µs Schaltzeit überhaupt zu erreichen. Schneller wird es mit mehr Gatestrom auch nicht.

In Laboruntersuchungen wurde festgestellt, dass der Durchbruch bei überlasteten Sperrschichten (durch Temperatur, Strom) durch die ungleiche Stromverteilung an einer Stelle des Substrats stattfindet und sich wie ein Flächenbrand ausbreitet. Der Lawinendurchbruch setzt ein, beobachtete Dauer 2-3 µs, und die Ausgangsspannung, wie in diesem Fall bei Längstransistoren, steigt zuerst unregelmäßig aber in Folge rapide an, jetzt hilft nur mehr Geschwindigkeit. Ich habe daher von dieser Methode abgesehen.

Die zarte Methode: Man nehme einen MOS Schmitt Trigger, ich verwende ein IC CD40106 von Texas mit einer Schaltzeit ~70ns (die 4000 Serie ist einfach zeitlos mit 3-18 Volt Betriebsspannung, ich bewundere heute noch die Entwickler, die diese Serie vor vielen Jahrzehnten erfunden haben), einen Hochleistungs-MOSFET für USV IRLB3813 mit möglichst geringem ON Widerstand, (Spannungsabfall 0,04 V x 20 A = 0,8 W Verlustleistung), relativ kurze Schaltzeit gepaart mit hoher momentaner Leistungsaufnahme. Ein Alugehäuse soll externe Störungen abschirmen und gleichzeitig als Kühlkörper für den IRLB3812 dienen. Die Kapazität des Gehäuses auf die Schaltung muss ebenfalls berücksichtigt werden, und so gehe ich von einer Reaktionszeit ~300-350 ns aus, das könnte entsprechend den Laboruntersuchungen für „normal“ sterbende Transistoren reichen. Die alles entscheidende Frage ist, wie schnell legieren Transistoren unter welchen Umständen durch?

Schaltungsbeschreibung:

Die Schutzschaltung wird an das stromlose Netzteil angeschlossen. Nach dem Aktivieren des Netzteils wird IC1 mit 10 V Spannung versorgt, der Eingang Pin1 bleibt bei korrekter Einstellung unter der Schaltschwelle und Pin2 geht auf high. Über die internen BE Widerstände des Q1, ein PNP Darlington-Transistor BDW94, wird das Gate mit moderater Geschwindigkeit von 25 µs. auf ca. 10V aufgeladen.

Der Transistor T1, ein MOSFET-Transistor wird leitend und schaltet mit einem Restwiderstand von 1,9 mOhm die negative Leitung des Netzgerätes durch. C1 ist ein „Beruhigungskondensator“ und spielt aufgrund des hohen Stroms im Fehlerfall keine Rolle. C2 soll etwaige Hochfrequenz von T1 fernhalten.

 
Wenn die Spannung den eingestellten Schwellwert (14,5 V mit R1) überschreitet, so kippt der Schmitt Trigger und am Pin2 von IC1 liegen 0 V an. Der Transistor Q1 wird leitend und entlädt das Gate von T1, wobei Ströme von bis zu 5 A im Nanosekunden-Bereich auftreten können da eine Gesamtkapazität von 8,3 nF in minimalster Zeit ausgeräumt werden muss. Der Transistor T1 trennt den angeschlossenen Verbraucher (Transceiver) vom Netzteil.

Alternativen, mehr oder weniger: Man kann auch den Schmitt Trigger Teil nehmen, um nach entsprechender Anpassung mit Transistoren über einen Thyristor einen Kurzschluss herbeizuführen, jedoch wird die Schaltzeit nicht unwesentlich in den µs Bereich verschoben. Eine weitere mögliche Lösung ist etliche 15 V 5 W Zehnerdioden parallel zum Ausgang des Netzteil zu schalten, diese sind im Fehlerfall defekt, sollten aber bei genügender Stückzahl einen satten Kurzschluss produzieren. Zu guter letzt noch sog. Supressor-Dioden, diese unterdrücken zwar Spannungsspitzen exzellent im Nanosekunden-Bereich, doch gehen sie bei Beaufschlagung mit hohem Strom in einen Klemmspannungsbereich über der in den Datenblättern auch angegeben ist. Was nützt es, wenn nach dem ersten Ansprechen z.B. einer 15 oder 16 Volt Diode diese eine Klemmspannung von 26 V einnimmt.

Sollte der Fall X eintreten und der Transceiver überlebt, so werde ich mit Freude das defekte Netzteil zerlegen und reparieren, ich habe alles getan um den Supergau zu vermeiden. Allen, die das nachbauen, gutes Gelingen! Und ich stehe gerne für Verbesserungsvorschläge zur Verfügung, doch bedenken Sie, jeder Zusatz, jede Änderung kann die Reaktionszeit verlängern.