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     Freilaufdiode / Varistor

   Freilaufdiode = Schaltdiode

Eine Freilaufdiode ist kein eigener Diodentyp, sondern in der Regel eine normale Schaltdiode, welche Ihre Bezeichnung aufgrund ihres Einsatzgebietes hat. Der Namensgeber ist also der Verwendungszweck und nicht eine Varianten- oder Typenbezeichnung. Beim Schalten von induktiven Lasten (Spule), wie etwa ein Relais oder Motor erzeugt dessen Spule nach dem Aschalten eine Spannungsspitze, welche die dahinterliegende Elektronik (z.B. Transistor) beschädigen kann. Wird eine Diode so zur Spule geschaltet, dass der entstehende Abschaltstrom über sie weiterfließen und sich somit abbauen kann, so nennt man diese Diode "Freilaufdiode". Für die meisten Anwendungen reicht hierbei eine Standard Schaldiode, welche antiparallel zum Stromfluss, also Kathode an + und die Anode an - angeschlossen wird.

Da der Strom bis zum Erliegen einige Zeit weiter fließt, ist die einfache Schaltung mittels einer normalen Schaltdiode nicht geeignet, wenn ein schnelles Schalten (im ms Bereich) benötigt wird. Bei Lastrelais kann es durch die Verzögerung auch zu erhöhter Lichtbogenbildung kommen, was sich negativ auf die Lebensdauer des Relais auswirkt. Jedoch spätestens beim Schalten von PWM-Strömen überschreitet man die Grenze einer einfachen Schaltdiode. Abhilfe kann hier eine zusätzlich in Reihe geschaltete Zenerdiode schaffen. Es gibt auch speziell entwickelte Schutzdioden (TVS-Dioden) die noch schnellere Schaltzeiten ermöglichen, jedoch möchte ich mich hier nicht noch tiefer in die Materie graben und belasse es mal dabei.

 

   Auslegung

Diode:
Zur genauen Auslegung einer Freilaufdiode müsste man auch die Werte der Spule kennen, da diese aber in den aller seltensten Fällen vorhanden sind, erfolgt die Auswahl sehr überschlägig. Auf jeden Fall sollte die Diode bezüglich ihres Spannungsbereiches deutlich über der, in der Schaltung genutzten Spannung liegen und von der Amperezahl mindestens den Strom der Spule verkraften können. Normale 1N400x haben 1A Nennleistung, können aber kurzzeitig auch mehrere Ampere verkraften. In der Regel kommt man bei einer Relaisschaltung mit diesen Typen aus.

 

   Varistor

Mit einer normalen Schaltdiode (1N4xxx)) kommt man bei einer Relaisansteuerung, in den meisten Fällen schon gut hin. Auch bei Motoren reicht prinzipiell eine ordinäre Schaltdiode vollkommen aus, jedoch stößt man hier auf ein Problem, wenn die Polarität zwecks Drehrichtungsänderung sich wechseln kann/muss. Denn bei einer Umpolung würde die Diode einen Kurzschluss verursachen und durchbrennen. Für solch einen Fall bietet sich ein Varistor an, der polungsunabhängig ist. Ein Varistor ist ein Widerstand, der zunächst sehr hochohmig ist und beim erreichen einer bestimmten Spannung niederohmig wird. Da Varistoren eine sehr schnelle Reaktionszeit haben und den Strom unmittelbar kurzschließen, ist hier kaum ein Verzögerungseffekt vorhanden. Somit ist ein Varistor auch sehr gut für PWM-Ströme geeignet.

In der Beispiel findet keine Umpolung statt, von daher könnte hier auch eine ordinäre Schaltdiode zum Einsatz kommen. Ein sinnvoller Einsatz wäre z.B. eine H-Brückenschaltung:

 

   Auslegung

Varistor:
Bei der Auswahl eines Varistors sollte darauf geachtet werden, dass die Grenzspannung ( >= 20%) über der Netzspannung liegt und nicht höher als die max. zulässige Spannung der zu schützenden Elektronik ist. Bei einem Transistor wäre dies
UCB bzw. UCE (siehe Datenblatt). Was den Strom angeht hat man das gleiche Auslegungsproblem wie bei einer Diode, denn die Werte zur Spule sind in den seltensten Fällen vorhanden. Einfachheitshalber wird hier großzügig überdimensionieren, was unter Verwendung eines Standardtyps von selbst einstellt :-)

Beispiel: Für ein KFZ wird eine Schaltung mit dem BD649 gebastelt und auf nominal 12V ausgelegt.
Die Bordspannung kann bei Laufendem Motor bis zu ~14V und auch mal einen Furz darüber liegen, also nimmt man 15V an. Darauf kommen die 20%, also 15V * 1,2 =  18 V. Die max. U
CE Spannung liegt beim BD649, gemäß Datenblatt bei 50V. Wir suchen also einen Varistor der eine Grenzspannung zwischen 18V und 50V aufweißt. Ein gängiger Typ wäre hier z.B. der MOS (Metall-Oxid-Varistor) 07D220K mit einer Grenzspannung von 22V und einen Ableitstrom von max. 1x 250A bei Impulsdauer 8/20 µs oder 10.000x (alle 10 Sek.) 10A - für den Standardtyp bei Raumtemperatur.

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[letzte Aktualisierung 04.12.2007]