Ratgeber
Der englische Begriff suppressor bedeutet so viel wie Unterdrücker. Und genau das machen Suppressordioden: Sie unterdrücken Spannungsspitzen, sogenannte Transienten. In unserem Ratgeber erfahren sie, was Transienten sind, wie sie entstehen und warum der Überspannungsschutz mit Suppressordioden in elektronischen Schaltungen sehr wichtig sein kann.
Unter Transienten sind kurzzeitige Spannungs- oder auch Stromspitzen zu verstehen, die eine Schaltung auf vielfältige Weise schädigen können. Manche Transienten treten nur einmal auf, andere können sich wiederholen. Sie reichen von einigen Millivolt bis zu Tausenden von Volt und dauern einige Nanosekunden bis zu Hunderten von Millisekunden.
Hauptverursacher von Transienten sind das Schalten von Geräten, elektrostatische Entladungen und Lichtbögen. So entsteht bei jedem Ein- und Ausschalten induktiver Geräte eine Transiente. Der induktive Start eines 5-PS-Elektromotors kann beispielsweise eine Überspannung von mehr als 1000 Volt erzeugen. Auch Transformatoren erzeugen häufig hohe Überspannungen, insbesondere beim Einschalten. Interessanterweise entstehen diese Transienten nicht – wie oft angenommen – durch die plötzliche Belastung des Systems, sondern durch den Zusammenbruch des Magnetfelds.
Elektrostatischen Entladungen, kurz ESD, können bis zu 40.000 Volt erreichen. Diese Art von Gefahr hängt stark von den Umgebungsbedingungen ab, in Gebieten mit niedriger Luftfeuchtigkeit sind die Probleme am größten. Eine USB-Buchse oder ein USB-Anschluss ist ein typisches Beispiel, da ESD häufig am Eingang eines Geräts auftreten: Wenn jemand über einen Teppich geht, um ein USB-Kabel einzustecken, kann sich eine Ladung aufbauen, die eine elektrostatische Entladung an diesem Eingang verursacht. Ein ESD-Schutz unmittelbar an den USB-Kontakten würde die Transiente zuverlässig abbauen.
Lichtbögen entstehen oft durch fehlerhafte Kontakte in Unterbrechern, Schaltern und Schützen. Wenn die Lücke zwischen den Kontakten durch Luftleitung übersprungen wird, steigt die Spannung plötzlich an. Auch ließen sich die Auswirkungen von Transienten durch entsprechenden Überspannungsschutz vermeiden.
Dioden gehören zu den grundlegendsten Halbleiterbauelementen. Zu finden sind sie häufig in elektronischen Konstruktionen wie Gleichrichtern, Umrichtern, Wechselrichtern, Schutzschaltungen und Reglern.
Die drei bekanntesten Diodentypen sind die normale axial bedrahtete Gleichrichterdiode, die Z-Diode und die Schottky-Diode.
Dieses Halbleiterbauelement funktioniert im Wesentlichen wie ein Einwegschalter für Strom. Es lässt den Strom problemlos in eine Richtung fließen, schränkt aber den Stromfluss in die andere Richtung stark ein.
Dioden werden deshalb auch als ungesteuerte Gleichrichter bezeichnet, da sie Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umwandeln.
Suppressordioden funktionieren genau wie andere Halbleiterdioden, indem sie den Strom nur in eine Richtung passieren lassen. Bekannt sind sie auch unter der Bezeichnung TVS-Dioden. TVS steht für Transient Voltage Suppressor, zu Deutsch etwa Transienten-Spannungs-Unterdrücker. Ihr Hauptzweck ist somit nicht die Gleichrichtung, sondern der Überspannungsschutz für empfindliche Schaltungselemente. Dazu gehören zum Beispiel Mikroprozessoren, die Überspannungen oft mit Schäden oder sogar Ausfällen quittieren.
Konstruktionstechnisch ist die TVS-Diode eine Festkörper-PN-Sperrschichtdiode. Sie wurde speziell entwickelt, um die Auswirkungen plötzlicher oder kurzzeitiger Überspannungen auf empfindliche Halbleiter und Schaltungselemente zu neutralisieren. Überschreitet die induzierte Spannung die Avalanche-Durchbruchsspannung, absorbiert die TVS-Diode überschüssige Energie und setzt sich nach der Überspannung automatisch zurück. Zwar lassen sich prinzipiell auch Standarddioden und vor allem Z-Dioden für den Überspannungsschutz verwenden, sie sind allerdings nicht so robust wie Suppressordioden, da sie für die Gleichrichtung beziehungsweise als Spannungsregler ausgelegt sind.
Im Normalbetrieb ist die Suppressordiode für die Schaltung bis auf einen kleinen Leckstrom unsichtbar. Bei Überspannung kompensiert sie die überschüssige Energie durch die Umwandlung in Wärme, sobald die Transiente ihre Durchbruchspannung erreicht. Bei einer lang andauernden Überspannung kann sich das Bauelement allerdings sehr stark erhitzen, was die Installation eines Kühlkörpers notwendig macht. So geschützte TVS-Dioden können Spitzenleistungen von mehreren Kilowatt verkraften.
Suppressordioden gibt es in zwei Ausführungen, unidirektional und bidirektional. Eine unidirektionale TVS-Diode – Kennzeichnung A – arbeitet wie jede andere Avalanchediode als Gleichrichter in einer Schaltung in Durchlassrichtung. Sie hält auch sehr großen Spitzenströmen stand und ist meist in Gleichstromkreisen zu finden.
Eine bidirektionale TVS-Diode für den Überspannungsschutz besteht dagegen aus zwei einander gegenüberliegenden und in Reihe geschalteten Überspannungsableitern. Diese Dioden werden ebenso parallel zu dem zu schützenden Gerät oder Schaltkreis geschaltet und sind für Anwendungen mit Wechselstrom ausgelegt.
Neben der Wahl für unidirektionale oder bidirektionale Typen spielen weitere Parameter eine wichtige Rolle. Hier die wesentlichen:
Besitzen Suppressordioden auch eine Kapazität?
Ja, sie wird als parasitäre Kapazität bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine unvermeidbare und in der Regel unerwünschte Kapazität, die zwischen den Teilen eines elektronischen Bauteils oder einer Schaltung allein aufgrund ihrer Nähe zueinander besteht. Sie kann bei Suppressordioden durchaus einige Hundert Pikofarad betragen. Nachteilig wirkt sich die Kapazität vor allem bei Hochfrequenz-Anwendungen aus.