Überspannungsschutz mittels Zener-Diode

[Alfino]

Hallo zusammen,

ich bin elektrotechnisch leider nicht sonderlich versiert und hoffe hier auf Rat da ich nicht ganz weiter weiß ob ich da etwas verwechsle / vermische.

Und zwar geht es darum einen Überspannungsschutz mittels Z-Diode zu realisieren.
Zum Grundlegenden: Eine Schutzbeschaltung ist 1/1 das Gleiche wie ein Überspannungsschutz, richtig?

Sehe ich es auch richtig, dass für den Überspannungsschutz eine Z-Diode in Sperrrichtung in Reihe mit einer Standard-Diode geschalten wird? Was wäre noch zu beachten?

Vielen Dank im Voraus.

 

[Pumukel]

nein ein Überspannungsschutz soll ein Gerät vor zu hoher Spannung schützen. Eine Schutzbeschaltung vor Überlastung. So und eine normale Diode in Reihe zu einer Z-Diode wird sehr selten eingesetzt , denn sie verschlechtert die Regeleigenschaften der Z-diode verringert aber bei richtiger Auswahl die Temperaturabhängigkeit der Z-Diodenspannung . Mittlerweile gibt es da aber auch bessere Lösungen um eine Spannung konstant zu halten zb der LM431 das ist vom Prinzip eine einstellbare Z-Diode .
Zdioden lassen sich aber eben nur bei DC zum Überspannungsschutz einsetzen und bei AC brauchst du da 2 Zdioden Antiseriell geschaltet . So wirkt in einer Halbwelle die erste Z-Diode in Durchlass und die zweite als Begrenzer in der anderen Halbwelle dreht sich deren Funktion um .
Noch zum Verständnis Z-Dioden werden immer in Sperrrichtung betrieben, in Durchlassrichtung verhalten die sich wie eine normale Diode und Z-Dioden benötigen immer einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung !

 

[schUk0]

Warum beschätigst du dich mit sowas, wenn du davon keine Ahnung hast?

Oder anders... Wirum gehts genau?

Soweit ich weiß, wird sowas eher mit MOVs und Funkenstrecken realisiert.

 

[Alfino]

Guten Morgen,

erst mal vielen Dank @Pumukel für die Antwort, das erklärt mir schon mal das ein oder andere.

@schUk0 Dass das nicht bzw. nicht mehr so gemacht wird habe ich schon auf verschiedenen Seiten nachschlagen müssen, allerdings ist das eine zu bearbeitende Fragestellung zur Vorbereitung auf eine Klausur im Modul "Grundlagen E-Technik" meines Bachelor-Studiums.

Vielleicht hätte ich die Frage umformulieren müssen bzw. das noch integrieren müssen: Ist es einerseits möglich einen funktionierenden Überspannungsschutz mittels Z-Diode zu realisieren, falls ja wie und was wäre ggf. eine bessere Alternative dazu (wobei das von Pumukel ja bereits geklärt wurde durch Nutzung der LM431).

Danke und Grüße

 

[Octavian1977]

Dazu wäre erst mal zu klären um was für eine Überspannung es sich handelt.
wie Hoch diese ist und was deren Ursache.
In Überspannungsableitern werden zumindest keine Z-Dioden verwendet.

 

[Carsten1972]

In Überspannungsableitern werden zumindest keine Z-Dioden verwendet.

Wenn ich mich richtig erinnere, gelten Suppressordioden als Weiterentwicklung der Z-Dioden. Diese werden tatsächlich als ÜSS benutzt (kenne ich aber nur in der Nachrichtentechnik, nicht Energietechnik).

Ein wirksamer ÜSS muss extrem schnell ansprechen, extrem hohe Ströme für kurze Augenblicke aushalten, sollte dabei möglichst niederohmig werden, bei Abfallen der Spannung möglichst unverzüglich den Stromfluss wieder unterbrechen, einen geringen oder keinen Leckstrom haben und alterungsbeständig sein.

Was davon normale Z-Dioden leisten können, möge bitte jemand schreiben, der sich damit auskennt.

 

[patois]

Überspannungsschutz für Gebäude folgt einem Gesamtkonzept.
Bei Neuanlagen besteht das Konzept zumeist aus einem 3-Stufenplan,
wobei natürlich die Funktion der Stufen aufeinander abgestimmt wird.
Mehr über ein derartiges "Gesamtkonzept" findet man unter dem Stichwort "DEHN" im Internet.

 

[Pumukel]

Noch mal eine Nachfrage : Z-Dioden werden meist nur da angewendet wenn es um den Schutz bei kleinen Spannungen bis max 60 V geht . Dabei wird das Verhalten einer Diode in Sperrrichtung ausgenutzt . Ab einer bestimmten Spannung steigt der Sperrstrom schnell an . Bei Z-Dioden ist das Verhalten durch die Dotierung so gewählt das der schon bei relativ geringer Sperrspanung sehr stark ansteigt . Leiter hat bei Z-Dioden die Temperatur der Diode da eine unerwünschten Einfluss auf die Werte der Diode, deshalb wurde da meist noch eine Diode in Durchlassrichtung in Reihe geschaltet um die Temperatureinflüsse etwas zu kompensieren .
Der LT 431 ist ein IC der als Z -Diode arbeitet aber diese negativen Eigenschaften schon intern Kompensiert und noch dazu Steiler ist .Also eine deutlich bessere Regelung der Spannung ermöglicht.
So und dann gibt es zum Überspannungsschutz auch noch spannungsabhängige Widerstände ( Varistor ) und auch noch Funkenstrecken . Aber dazu bemühst du mal selber Google . Surpressordioden sind auch nur eine Spielart der Z-Diode. Die aber speziell so hergestellt werden das sie auch Kurzzeitig deutlich höhere Sperrströme vertragen .

 

[patois]

Und immer dran denken: das ganze "Gewürm", welches ähnlich aufgebaut ist wie MOVs, unterliegt Alterungsprozessen . . .

 

[Pumukel]

Für Dumme MOV ist eine Bauart des Varistor !

 

[bigdie]

Für einen Überspannungsschutz ist die Z-Diode 1. zu langsam und 2. verträgt sie keine hohen Strome. Schon bei geringer Überlastung wird sie hochohmig. Im Gegensatz zur Supressordiode. Die macht meist einen Kurzschluss, wenn sie stirbt und hält zumindet kurzzeitig viel höhere Ströme aus ohne zu sterben und sie ist auch sehr schnell

 

[patois]

und sie ist auch sehr schnell

Das ist ziemlich "relativ", denn wie schnell ist "sehr schnell" in den üblichen bekannten Zeiteinheiten ausgedrückt ?

 

[bigdie]

Datenblätter kannst du selbst heraus suchen. Ein Blitz ist DC, verhält sich aber aufgrund der hohen Stromanstiegsgeschwindigkeit wie Hochfrequenz.

 

[patois]

Was soll ein Laie, also der TE, mit einer Antwort anfangen, die ihm sagt "eine Zener-Diode ist zu langsam" ?

 

[bigdie]

Begreift eigentlich jeder außer dir, was langsam heißt

 

[patois]

Siehe da, er drückt sich wieder einmal um eine konkrete Antwort, unser "Praktiker".

 

[bigdie]

Was ist daran nicht konkret, wenn die Z-Diode langsamer ist als die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Überspannungsimpulses.

 

[Pumukel]

Ein Blitz dauert rund 30 µs das sind 0,03ms, eine Halbwelle unsere Wechselspannung dagegen 10ms .
Das sind zum Vergleich 10 000µs oder in Frequenzen umgerechnet hätte der Blitz da ca rund eine Frequenz von 17 kHz und die Netzspannung da eine von 50 Hz . 17 kHz sind immer noch NF und keine HF ! In einem Punkt muss ich da Bigdie recht geben, der Blitz erzeugt fast ein Rechtecksignal mit sehr steilen Flanken und die steile Flanke hat die gleichen Auswirkung im Bezug auf die Stromanstiegsgeschwindigkeit wie eine sehr hohe Hochfrequenz . Das bedeutet in kürzester Zeit steigt die Spannung schlagartig an . Deshalb wird zum Überspannungsschutz zuerst eine Funkenstrecke eingesetzt, denn die wird genau wie der Blitz selbst bei überschreiten von ca 1500V schlagartig leitend und begrenzt dadurch die Spannung schon erst mal von rund 30 kV und höher auf etwa 1500 bis ca 6000V .
Die zweite Stufe mit Varistoren begrenzt dann diese Spannung weiter auf rund 1500V und erst der Feinschutz mit Varistor oder Z-Diode begrenzt diese auf Werte um rund 400V . Damit solch ein System auch funktionieren kann wird die Leitungsinduktivität der Anlage ausgenutzt . ( Merksatz : bei Induktivitäten die Strömlinge sich verspäten )
Die Induktivität der Leitung flacht Bildlich gesagt die steilen Flanken ab .
So und über Schnell und Langsam kann man sich Streiten . Ein HF Techniker zb bezeichnet unsere 50 Hz Netzspannung als wackelten Gleichstrom. Und ein Fußgänger betrachtet ein Auto mit 100kM/h als Schnell eine Schnecke dagegen als Langsam . So und nun versetz dich mal in die Schnecke .
Hier mal zum Nachlesen : Überspannungsschutz – Wikipedia

 

[Pumukel]

Was ist daran nicht konkret, wenn die Z-Diode langsamer ist als die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Überspannungsimpulses.

Die Z-diode kann langsamer als die Stromanstigsgeschwindigkeit sein . Denn sie soll den Maximalwert begrenzen und nicht den momentanen Wert der Spannung . Dazu schau dir zb Mal den Spannungsverlauf an einer Funkenstrecke an ! Speziell das Verhalten von Zündspannung zur Brennspannung !

 

[bigdie]

Ein Blitz dauert rund 30 µs

Geht nicht um die Dauer. Der strom steigt so schnell, das der Impuls an der Z- Diode vorbei ist, ehe sie leitet