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Die Analyse der Überspannungspfade am Beispiel einer Stromversorgung und Netzteiles

Kari Kapanen | Sales Europe | Shenzen Bencent Electronics Co. Ltd.
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH*


Das Thema der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)) ist ein Schmelztiegel mehrerer Wissenszweige. Viele mögen es für schwierig halten EMV-Probleme zu lösen, da elektromagnetische Felder nicht greifbar und unantastbar sind. Eine Reihe von obskuren Begrifflichkeiten würden Anfänger und teils sogar erfahrene Hardware-Ingenieuren das Gefühl geben verwirrt zu werden: Raumstrahlung, Kabelübertragung, Kabelstrahlung, Differentialmodeschaltung und Gleichtaktspannungen.

Die wichtigste Methode zur Analyse eines EMV-Problems ist im Allgemeinen mit drei Faktoren verbunden:

  • Die elektromagnetische Störquelle
  • Der Koppelpfad
  • Die Störsenke

In Bezug auf Überspannungsprobleme, wie sie im Folgenden diskutiert werden, ist die Störquelle ein Überspannungssimulator, der eine bestimmte Art von Wellenform erzeugt. Der Kopplungspfad besteht aus einer Leitung, deren Abmessung dabei nicht so die Rolle spielt. Im Anschluss befindet sich eine Störsenke wie z.B. eine Halbleiter-Schnittstelle. Im Vergleich zu EMV-Tests ist die Frequenz von Überspannungen geringer und liegt mit den in Überspannungstests benutzten Wellformen 1,2/50µS und 10/700µS im µs-Bereich. Schon während des Schaltungsdesigns ist es ratsam den Entladungspfad für Überspannungen im Auge zu behalten. Ein gut konzipierter Entladungspfad kann einen wichtigen Beitrag zur Lösung von Kopplungspfadprobleme sein, wie es auch bei EMV-Themen hilfreich ist.

Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Überspannungsschutzschaltung zu entwerfen: Entweder wird der Überspannungspfad geöffnet oder er wird geblockt. Passive Komponenten wie Ableiter, TVS-Dioden und Varistoren werden normalerweise verwendet, um eine parallele Schaltung mit niedriger Impedanz so zu konstruieren, dass der Strom zur Erdung abgeleitet wird (Öffnung). Auch kann ein Kondensator verwendet werden. Mit Induktivitäten, Widerständen und Kondensatoren in Reihe können Überspannungen blockiert werden. In der Praxis ist Analyse des Überspannungspfades ein wichtiger Aspekt, der verstanden werden muss.

Die Analyse einer realen Schaltung

  • Applikation: Überwachungskamera
  • Anschluss Stromversorgung: 24VAC (kompatibel mit 12VDC)
  • Überspannungsstoß: 1,2µs/50µs 3kV im Gegentakt (2Ω), 1,2µs/50µs 6kV im Gleichtakt (12Ω)

Die originale Überspannungsschutzschaltung des 24VAC Einganges der Stromversorgung der Applikation

Der primäre Überspannungsschutz wird mit Gasableitern (GDT, gas discharge tubes) am 24VAC Anschluss sichergestellt. Die der Gleichrichtung nachfolgende Schaltung ist ein DC-DC-Konvertermodul, das im Bild oben nicht dargestellt ist. Die Induktivität der Gleichtaktdrossel TR1 liegt bei 1mH. Die Streuinduktivität der stromkompensierten Drossel ist in der Regel dabei gering und somit vernachlässigbar. Der Entkopplungseffekt ist dadurch im Gegentakt sehr begrenzt. Es kommt zwangsläufig zu Schaltungsschäden bei Überspannungen.

Vorschlag eines optimierten Überspannungsschutzes

Die Ziele der Optimierung des Designs sind, dass die Überspannungsschutzschaltung unbeschadet einen 10/700µs-Impuls mit 6kV überstehen kann und die Größe der Platinen unverändert bleibt. Mit TVS-Dioden hinter der stromkompensierten Drossel wird der Überspannungsschutz ergänzt. Diese sollen eine Sperrspannung von 58V haben. Aus Platzgründen wurde die TVS-Diode BV-SMBJ58C2H (Bauform SMB, peak pulse power 3000W) ausgewählt. Diese ist kleiner als die Standardbauform SMD mit einem vergleichbaren Energieabsorbtionsvermögen.

Vorschlag einer optimierten Schaltung

Der Test am 24VAC-Anschluss wurde an AC24VA bestanden. Der Überspannungsimpuls an AC24VB führte jedoch zu einem Ausfall einer Diode im Brückengleichrichter. Die Gleichrichterdiode wurde ausgetauscht und die Schaltung funktionierte für die weiteren Versuche wieder einwandfrei. Um den Überspannungschutz zu verbessern wird eine TVS-Diode mit einer Sperrspannung von 36V (peak pulse power 5.000W) parallel zum Gasableiter direkt an den 24VAC-Anschluss angebracht (Gleich- und Gegentakt, siehe Bild unten). Der Grund für die Sperrspannung 36V und die Belastbarkeit von 5.000W ist die Eindämmung der Restspannung für den folgenden DC-DC-Wandler. Für die Praxis sollte eher eine TVS-Diode mit einer Spannung von mehr als 40,7 V (= 24 V * 1,414 * 1,2) gewählt werden, um eine Sicherheitsmarge zur Versorgungsspannung zu haben.

Ergänzung der Schaltung mit den 36V TVS-Dioden

Folgende Tests werden an der gesamten Platine der Stromversorgung durchgeführt (nur die Platine, ohne Gehäuse)

  • Test 1: AC24VA-PE +6kV, bestanden, keine Beschädigungen
  • Test 2: AC24VB-PE +6KV, bestanden, keine Beschädigungen

Ebenso funktionierte die gesamte Stromversorgung einwandfrei nach Überprüfung. Im eingebauten Zustand ist die Masse PE und die Masse nach der Gleichrichtung über das Gehäuse verbunden. Dabei wird mit Schrauben die Platine am Gehäuse befestigt. In den folgenden Tests werden die Schraubenlöcher mit einem Draht verbunden, um diesen Sachverhalt zu simulieren.

Anschluss der Masse PE (oberes Loch) und des Masseanschlusses nach der Gleichrichtung (unteres Loch) mit Hilfe von Schrauben am Gehäuse. Hier zu sehen die Schraubenlöcher.

Jetzt:

  • Test 3: AC24VA-PE +6kV, bestanden, keine Beschädigungen
  • Test 4: AC24VA-PE -6KV, nicht bestanden, Gleichrichterbrücke wird thermisch beschädigt
  • Test 5: AC24VB-PE +6KV, bestanden, keine Beschädigungen
  • Test 6: AC24VB-PE -6KV, nicht bestanden, Gleichrichterbrücke wird thermisch beschädigt.

Analyse des Überspannungspfade für Test 5 und 6:

Der orangene Überspannungspfad zeigt im Bild wie die Überspannung mit +6kV die Schaltung durchläuft. Die wesentliche Energie wird von AC24VB über die TVS-Diode zu PE entladen, ein kleiner Teil der Energie fließt über den Kondensator C67 und D18 zur Masse.

Analyse des Überspannungspfade für Test 5 und 6

Der grüne Pfad zeigt, wie die Überspannung mit -6kV an N-PE die Schaltung durchläuft. Ein Teil der Energie fließt von PE nach AC24VB über die TVS-Diode. Der andere Teil der Energie geht von PE über die Masse und die Diode D17 zu AC24B. Da an PE der Impuls mit -6kV anliegt, wird D17 zu hoch belastet. Die Wahl einer höheren Stromverträglichkeit bei D17 kann helfen, den Test zu bestehen.

Zusammenfassung

1. Die Analyse und genaue Betrachtung des Überspannungspfades ist wichtig für das Design der Überspannungsschutzschaltung. Mit dieser Vorgehensweise werden mögliche Fehler gefunden, so dass ein funktionierender Überspannungschutz sichergestellt wird.

2. Bei einer Stromversorgung mit AC-Eingang wie oben, muss aufgrund der Verwendung eines DC-DC-Wandlers nach der Gleichrichtung die Masse der Gleichrichterbrücke mit der Masse der folgenden Schaltung verbunden werden. Das unterscheidet sich von der Sperrwandler-Schaltung. Daher sollte auf den Überspannungspfad über alle Masseanschlüsse geachtet werden.

3. Es gibt viele Möglichkeiten, zwischen dem Primär- und Sekundärschutz zu entkoppeln, z. B. über das Einstellen der Werte des PTC, der Sicherung und der Gegentakt- und Gleichtaktdrossel. Dabei spielt die Zuverlässigkeit der Schaltung und der Platzbedarf auf der Leiterplatte auch eine Rolle.

Zuerst sollte eine Gegentaktdrossel bevorzugt werden. Die Kosten bleiben auf einem durchschnittlichen Niveau bei geringerem Leistungsverlust.

In einem zweiten Schritt eine Gleichtaktdrossel. Die Kosten sind höher und die folgende TVS-Diode muss eine höhere Leistungsverträglichkeit haben, kann aber helfen, die EMV zu verbessern.

Ein PTC ist am wenigsten zu empfehlen, da sich seine Impedanz über Temperatur ändert, was zu Leistungsverlusten führen kann. Vorteil eines PTC: Die Kosten sind günstig.

4. In Bezug auf das Dimensionierung des Gasableiters am 24VAC-Anschluss wird eine Komponente mit einer Lichtbogenspannung (”arc voltage”) von mehr als 12V dringend empfohlen. Da das 24VAC-Design des Netzteiles mit 12VDC kompatibel sein sollte, was bei Applikationen in derSicherheitsüberwachung üblich ist, teilen sich beide die gleiche Überspannungsschutzlösung. Das Risiko liegt darin, dass ein ausgelöster Gasableiter nicht erlischt, wenn die 12VDC anliegen. Die folgende Schaltung kann dann durch das Problem des Folgestroms beschädigt werden.

Empfehlung des Überspannungsschutzes für einen 24VAC-Anschluss
 

Empfehlung für den primären (Gasableiter) und sekundären Überspannungsschutzes (TVS-Dioden)

*Hinweis: Übertragung aus dem Englischen einer Schaltungsanalyse des Herstellers Bencent. Sprachliche Gepflogenheiten wurden behutsam angepasst. Die vorliegende Bildqualität konnte nicht weiter verbessert werden.

 

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