Überspannungsschutz Teil 2-Der Tiefpass
Nach aktueller CE-Kennzeichnung müssen seit Ende der 1990er Jahre alle Hersteller einen Überspannungsschutz an elektronischen Geräten zum Schutz gegen Überspannungsimpulse nachweisen. Aber wie verwirklichen sie die entsprechenden Normen?
Überspannungsschutz Teil 2: Der Tiefpass mit Spule und Kondensator
Im ersten Teil hatten wir uns den Varistor angeschaut. Wie nun wirkt aber ein Tiefpass?
Schauen wir uns die interessante Kombination dieser Bauteile einmal an!
Der Kondensator:
Der Kondensator ist für Gleichspannung undurchlässig. Das kennen wir ja schon von den Elkos. Legt man aber Wechselspannung an, dann wird er durchlässig für diese Spannungsart. Dabei dämpft er das Wechselsignal um so weniger, je höher die Frequenz wird.
Die Spule:
Die Spule verhält sich genau umgekehrt. Gleichstrom fließt ungehindert durch sie hindurch. Wechselstrom dagegen wird mit zunehmender Frequenz gedämpft. Die Spule wird „undurchlässig“.
Die unschlagbare Kombination unseres „Dreamteams“!
Wenn nun aber der Kondensator „durchlässig“ für hohe Frequenzen ist, die Spule dagegen diese „blockiert“, dann lässt sich da doch was draus basteln. Das denken sich auch die Entwicklungsingenieure im Schaltungsbau und sagen: “ Gut, lass uns eine Spule in den Netzeingang bauen, wo die 50 Hz Wechselspannung angeschlossen ist, und gleich vor der Spule einen Kondensator gegen Erde/Masse legen.“ Fertig ist ein passiver und vollkommen ausfallsicherer Überspannungsschutz.
Wirkungsweise Tiefpass
Beide Bauteile werden in ihren Werten so berechnet, dass sie die 50 Hz Netzspannung völlig ungedämpft durchlassen. Bei hohen Frequenzen dagegen sperrt die Spule und der Kondensator wird durchlässig Richtung Erde/Masse. Eine hohe Frequenz wird also durch die Spule vom Gerät „ausgesperrt“ und gleichzeitig über den Kondensator abgeleitet. Da nun ein Überspannungsimpuls eine sehr hohe Frequenz hat, funktioniert das perfekt.
„Schön und gut. Aber kommt da nicht doch noch was durch?“
Um die Normung zu erfüllen, hier am Netzeingang müssen mindestens Impulse von 2000 V abgehalten werden, werden mehrere Tiefpässe hintereinander gebaut. Man nennt solche Kombinationen Doppel-T-Filter oder Pi-Filter. Selbst bei voller Impulshöhe von über 2000 V wird der Impuls so stark gesiebt, dass an den Netzteilausgängen nichts mehr stört.
„Was aber wenn der Impuls höher ist? Kann man eine Überlastung dann am Filter feststellen?“
Die meisten Filter sind so berechnet, dass sie die Norm weit übertreffen. Gut gesicherte Netzeingänge stecken 4000 V bis 6000 V locker weg. Wenn die Spannung höher wird, dann wird einer der Kondensatoren „durchschlagen“, er bekommt einen Kurzschluss und platzt. Die Sicherung löst aus und das Gerät ist ohne Funktion. Meist ist das gut sichtbar, auf jeden Fall aber messbar.
„Oh weh! Dann ist alles Schrott, oder?“
Wie auch schon beim Varistor so auch hier beim Tiefpass: Alle Bauteile schützen bedingungslos in intakten Zustand. Selbst wenn sie in Erfüllung ihres Zwecks zerstört werden bedeutet das aber noch nicht zwingend den Schaden im Netzteil. Oft war die „letzte Tat“ der Schutzkomponenten wirklich der Schutz der Schaltung und die folgenden Baugruppen, wie das auch schön im Titelbild am geplatzten Kondensator zu sehen ist. Tauscht man die Bauteile des Tiefpasses aus und ersetzt die Sicherung, so stehen die Chancen gar nicht so schlecht, dass alles wieder funktioniert.