Geräteschutz:

Überspannungsschutz mit Power-MOSFET

Abb.: Foto Überspannungsschutz 3

Überspannungsschutz 3

Eine Schutzschaltung gegen Überspannung wurde bereits vor einigen Jahren in diesem Sonderheft vorgestellt. Inzwischen wurde das zentrale Bauelement, ein Fensterdiskriminator TCA965, vom Hersteller abgekündigt und ist nur schwer erhältlich, ist jedoch immer kostspielig. Grund genug, eine neue Schaltung mit einem gut erhältlichen Schaltkreis zu gestalten./p>

Abb.: Schaltbild

Das Schaltbild enthält nur wenige, leicht erhältliche Bauelemente. Ein kleiner Bastelspaß für einen verregneten Nachmittag.

Das Schaltbild ist übersichtlich. Im Spannungseingang ist eine LED geschaltet, sie signalisiert die Eingangsspannung. R1, R2 sowie das Potentiometer R3 bilden einen Spannungsteiler zur Einstellung der maximal zulässigen Ausgangsspannung. Der IC MC3423 detektiert die Spannung. Liegt sie im zulässigen Bereich, ist das Signal am Open-Kollektor-Ausgang an Pin 6 „high“. Über den Widerstand R6 steuert der IC einen NPN-Transistor durch, dessen Kollektor mit dem Gate eines P-Kanal-Power-MOSFET verbunden ist. Im Normalfall steht am Gate des Power-MOSFET die Betriebsspannung an und der MOSFET ist nicht durchgesteuert. Erst Null Volt am Gate steuern den IRF4905 voll durch und schalten die Betriebsspannung auf den Ausgang. Dort ist wiederum eine LED geschaltet, welche den Zustand der Schaltung auf einen Blick veranschaulicht.

Abb.: bestückungsplan

Der Bestückungsplan verzichtet auf SMD-Bauteile und sollte auch vom einem Lötanfänger zu bewältigen sein.

Aufbau

Beim Aufbau der Schaltung sind die mit Strom belasteten Leiterbahnen den Ansprüchen entsprechend zu gestalten. Die Abbildungen zeigen eine Ausführung für einen kleinen QRP-Transceiver. Hier wurden die gedruckten Leiterbahnen mit 1mm-Silberdraht auf eine Strombelastbarkeit von etwa 8 Ampere getrimmt. Bei größeren Belastungen (bis zu 20 Ampere) sind die gezeigten Bahnen mit entsprechend dickem Draht zu verstärken. Eine Ahnung davon, wie dick die Strom führenden Leiterbahnen zu gestalten sind, gibt ein Blick auf den Querschnitt des Stromversorgungskabels des Funkgerätes oder Verbrauchers!

Abb.: Anschluss-Schema

So wird die Schaltung angeschlossen

Der Überspannungsschutz wird zwischen Netzgerät und Verbraucher geschaltet.

Kühlung

Neben möglichst robusten Leiterbahnen ist die Kühlung des P-Kanal-Power-MOSFETs unerlässlich! In der Abbildung oben kam eine vorhandene Gehäusevariante ohne Befestigungsloch für einen Kühlkörper zum Einsatz, doch gibt es den IRF4905 auch mit Befestigungsmöglichkeit für Kühlkörper. Für den QRP-Betrieb bei SSB kommt die Schaltung gerade noch ohne Kühlblech aus. Doch schon bei einer Belastung von 5 Ampere wird der Power-MOSFET sehr schnell heiß und bedarf eines gut dimensionierten Kühlblechs. Hier sollte nicht gespart werden!

Abb.: Ansicht Lötseite

Anwendung

Die maximale Source-zu-Gate-Spannung darf plusminus 20 Volt betragen (siehe Kasten). Die maximale Eingangsspannung von 20 Volt sollte daher nicht überschritten werden. Für Funkgeräte und andere 12-Volt-Verbraucher stellt dies jedoch kein Problem dar, soweit sie aus einem geregelten Netzgerät gespeist werden.

Kleinere Kühlkörper sind bei Verwendung anderer P-Kanal-Power MOSFET mit geringerem RDSON möglich. Da sich die Anschlussbelegung der meisten Power-MOSFET nach dem Schema (GDS - von vorn betrachtet), richtet, ist der Ersatz des leicht erhältlichen und preiswerten IRF4905 durch einen P-Kanal-Power-Mosfet mit niedrigerem Innenwiderstand jederzeit möglich.

Liste der Bauteile

Bez.     Bauelement
IC1      MC3423
LED1     2mA, LED5MM
LED2     2mA, LED5MM
Q1       BC338 NPN-Transistor
Q2       IRF4905L P-Kanal MOSFET
R1       2,7k Widerstand
R2       2k2 Widerstand
R3       10k, Potentiometer CA6V
R4       2k7 Widerstand
R5       8k2 Widerstand
R6       4k7 Widerstand
R7       8k2 Widerstand
R8       10k Widerstand
TP2      Testpad (zum Messen)            1
X1       Klemme 5,08 mm
X2       Klemme 5,08 mm

Der P-Kanal-MOSFET

Beim IRF4905 von International Rectifier handelt es sich um einen schnell schaltenden P-Kanal-Power MOSFET, der kurzzeitig bis zu 74 Ampere verkraftet. Im eingeschalteten Zustand beträgt der Widerstand zwischen Source und Drain lediglich 20 Milliohm (RDSON). Zwischen Drain und Source darf die maximale Spannungsdifferenz bis zu 55 Volt betragen. Die Gate-zu-Source-Spannung darf bis zu 20 Volt betragen. Das Bauelement wird unter anderem im TO220AB-Gehäuse geliefert.