KFZ-Bordnetz

Die Höhe und Reinheit der 12V-Bordspannung hängt von den unterschiedlichen Betriebszuständen des Fahrzeuges ab. Diese kann ganz erheblich schwanken, was nicht selten zu unerwarteten Ausfällen oder gar Zerstörung von selbst angebrachten Elektronikkomponenten führt. Die nachfolgenden Informationen sollen helfen über die Risiken aufzuklären und aufzeigen wie man seine empfindliche Elektronik schützen kann.

Unter diesem Motto könnte der Artikel stehen. Die Aussage dahinter ist, das die Bordnetzspannung im Auto alles andere als eine saubere, glatte und stabile Batterieversorgung ist. Sämtliche Bordelektronik ist mit der Autobatterie und der Lichmaschine verbunden.

Der Begriff „Lichtmaschine“ beschreibt dabei einen Drehstrom-Generator. Vom Funktionsprinzip entspricht er dem eines Kraftwerk-Generators zu Erzeugung von „Haushaltsstrom“. Er ist über einen Riehmen mit der Kurbelwelle des Motors verbunden und speist neben der Fahrzeugelektrik auch die Batterie.

Ein solcher Generator erzeugt zunächst eine Wechselspannung, welche über Gleichrichterdioden in eine pulsförmige Gleichtspannung umgewandelt wird. Die Höhe der Spannung ist instabil und z.B. von der Drehzahl des Generators (Motors) und des aktuellen Strombedarfs im Fahrzeug abhängig (Scheibenheizung, Licht, Radio, etc.).

Um eine halbwegs konstante Bordspannung und Ladespannung zu erhalten benötigt es eine weitere Komponente, einen Spannungsregler. Diese bestehen im Prinz aus Hochleistungs-Zener-Dioden und schützen das Bordnetz vor Überspannungen. Letztere entstehen aber auch an anderer Stelle, z.B. durch ein- und ausschalten induktiver Lasten, wie z.B. dem Anlasser oder durch Relais. Auf diese Weise gelangen auch negative Spannungsimpulse auf die Versorgungsleitungen des Bordnetzes.

Letztlich finden sich eine Vielzahl verschiedenster, elektrischer Störungen im Bordnetz, abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Fahrzeuges. Zudem schwankt die Bordspannung in Abhängigkeit der aktiven Verbraucher. Beides kann in einer elektronischen Schaltung oder einen Mikroprozessor zur Fehlfunktion führen oder diesen sogar zerstören.

Dieses Problem ist in der Automobilindustrie bereits lange bekannt und eine wichtige Designaufgabe von Ingenieuren bei der Entwicklung von Fahrzeugkomponenten. Aus diesem Grund wurden solche Störungen in ISO-Normen definiert und auch Testgeräte entwickelt um sie in Laborumgebungen simulieren zu können. Erst wenn eine im Fahrzeug zum Einsatz kommende Komponente diese Tests „überlebt“ hat, wird sie als tauglich eingestuft und auch eingesetzt.

Die Norm dazu lautet ISO 7637. Die Inhalte dieser Norm sind nicht kostenlos zugänglich, es gibt jedoch Quellen die wesentliche Aussagen und auch Auszüge daraus publizieren. Googlet einfach mal danach...

In diesem Zusammenhang sei einmal erwähnt, das paradoxerweise die allermeisten Geräte fürs Auto, die man so an den Zigarettenanzünder anschließt, den Hinweis tragen das dieses Gerät nicht bei laufendem Motor betrieben werden darf. Der Hintergrund ist klar: Der Hersteller hat aus Kostengründen auf Schutzschaltungen verzichtet. Ob sowas bei Navigationsgeräten, Handy-Ladegeräten, MP3-Playern, etc. sinn macht kann sich jeder selbst beantworten. Achtet mal darauf bzw. schaut bei Euren Geräten mal nach.

Nachfolgend die wichtigsten Störungen, denen Baugruppen widerstehen in einem KFZ mit 12 Volt Bordspannung überleben müssen. Zunächst eine tabellarische Aufstellung:

• Bordspannung (Motor ist aus oder Motor läuft): 10 - 15 V (dauerhaft)
• Bordspannung (Motor anlassen): 7 V (10 s)
• Verpolung der Schaltung: -15 V (dauerhaft)
• Relais fällt ab: -100 V bis +100 V (2 ms)
• „Load dump“ (Unterbrechung der Batterieleitung während Generator läuft) nach ISO 7636-2, Puls 5a oder 5b:
  • bei Fahrzeugen ohne Zentralschutz: 87 V (400 ms)
  • bei Fahrzeugen mit Zentralschutz: 42 V (400 ms)
• „Jump start“ (Fremdstart von LKW mit 24V nach ISO 16750-2): 24 V (60 s)

^ Zustand ^ Dauer ^ Bordspannung ^

* Impuls 1: -100 V, Anstiegszeit 1 µs, Dauer 2 ms, Innenwiderstand 10 Ohm, Wiederholrate 0,5 bis 5 s, Prüfdauer 5000 Impulse.

• Impuls 2: +100 V, ansonsten wie Impuls 1.
• Impuls 3a und 3b: Impulspakete aus Impulsen mit -150 V (3a) bzw. +100 V (3b), mit Anstiegszeit 5 ns, Dauer 0,1 µs, Innenwiderstand 50 Ohm, Wiederholrate 100 µs, Paketdauer 10ms, Pause zwischen Paketen 90 ms, 1 Stunde Prüfdauer.
• Impuls 4: -7 V über 20 Sekunden
• Impuls 5: 40-400 ms langer Puls von 40-100 V mit 0.1-10 ms Anstiegszeit, Innenwiderstand 0.5-4 Ohm

Bei der Unterbrechung einer induktiven Last entsteht ein Puls durch die plötzliche Stromkreisunterbrechung zu einem Relais oder Motor. Die in der Spule gesammelte elektrische Energie fließt mit umgekehrter Polarität zurück in den Stromkreis.

Dieser Puls erzeugt eine negative Spannung von -75 bis -100 Volt. Laut Norm muss die Schaltung mind. 5.000 solcher Impulse verkraften.

Unterbrechung mehrerer in Reihe geschalteter indutkiven Lasten.

5.000 Pulse von +37 bis +112 Volt.

10 Pulse zu je +10V.

Hiermit wird das abschalten eines DC-Motors simuliert, welcher nach der Stromunterbrechung aufgrund mechanischer Schwungmasse weiterläuft und während dieser Zeit als Generator arbeitet. Beispielsweise der Lüfter vom Motorkühler.

Negative Spannungsspitzen durch Schaltvorgänge.

1 Stunde lang im Bereich von -112 bis -220 Volt.

Positive Spannungsspitzen durch Schaltvorgänge.

1 Stunde lang im Bereich +75 bis +150 Volt.

Beim anlassen des Motors sinkt die Bordspannung kurzzeitig auf +4,5 und anschließend für eine Dauer von 60 Sekunden auf +6 Volt. Dies entspricht dem anlassen eines Motors bei kaltem Wetter.

Der Lastabwurf beschreibt den Puls bei Trennung der Batterie vom Bordnetz bei laufendem Motor, während des Ladezyklus der Batterie.

1 Puls von +65 bis +87 Volt.

Dies muss die Schaltung dauerhaft, also unendlich lange, durchhalten ohne Schaden zu nehmen.

Dies muss die Schaltung dauerhaft, also unendlich lange, durchhalten ohne Schaden zu nehmen. Dabei darf eine einzig dem Gerät vorgelagerte Schmelzsicherung ansprechen.

Als Gegenmaßnahme werden sog. Suppressor-Dioden eingesetzt. Diese werden auch als „Transient Voltage Suppressor Diode“ (kurz „TVS“) oder „Transient Absorption Zener Diode“ (kurz „TAZ“) bezeichnet. Manche Firmen haben eigene Markennamen erfunden, wie z.B. „Transil“ für TVS-Dioden der Firma ST Microelectronics, oder „Transzorb“ der Firma Vishay.

Ihre Wirkungsweise ist vergleichbar mit der eines Überdruckventils. Sie leitet die vom Bordnetz kommenden, zerstörerischen Überspannungspulse gegen Masse ab und schützt so effektiv die Schaltung.

Elektrisch gesehen ist sie eine Zener-Diode, jedoch mit besseren elektrischen Eigenschaften (höhere Leistung, kürzere Ansprechzeit, geringer Leckstrom, geringe Kapazität). Wie bei einer Zener hat auch die Suppressor eine „Durchbruchspannung“. Bis zu dieser Spannung sperrt die Diode und verhält sich elektrisch neutral. Oberhalb der Durchbruchspannung wird sie leitend und führt die Energie so lange ab, bis die Durchbruchspannung wieder erreicht ist.

Die Durchbruchspannung ist aufgrund bautechnischer Gegebenheit recht ungenau (Toleranz meist bei 5%). Daher wählt man TVS-Dioden so, das sie sicher oberhalb der zu erwartenden Normalspannung arbeiten. Für 12V Bordnetze nimmt man z.B. eine „TPSMA6L15A“. Diese hat eine Durchbruchspannung im Bereich +16.7 bis +18.5 V und liegt damit oberhalb der im Normalbetrieb erreichbaren Bordspannung von ca. 15V im Ladebetrieb bei laufendem Motor.

Aber: Eine TVS ersetzt keinen Spannungsregler. Ihre einzige Aufgabe besteht darin die zu erwartende Spannung an einer Schaltung zu begrenzen und diese somit vor Überlast zu schützen.

TVS-Dioden eignen sich neben dem Schutz der Versorgungsspannung von Schaltungen auch sehr gut zum Schutz von Eingangssignalen in uController oder System-Bussen (LIN, CAN). Hier machen Bidirectionale TVS Sinn, bzw. zwei antiseriell geschaltete Unidirectionale.

Hier einige gebräuchliche Dioden für den 12V Automobilbereich:

Ein Varistor ist ein spannungsabhängiger Widerstand, dessen Wert mit steigender Spannung steigt. Er wirkt praktisch der Überspannung entgegen. Die Ansprechzeit von 25 Nanosekunden ist jedoch relativ träge. Daher ist seine Schutzwirkung auch geringer. Er wird parallel zur Stromversorgung der zu schützenden Schaltung eingebracht.

Hier eignet sich ein unpolarisierter Kondensator mit 100 pF oder ein Varistor. Bei Kondensatoren gilt, je kleiner die Kapazität, desto besser der ESD-Schutz.

• TMOV-Varistor von Littlefuse

Macht man üblicherweise mit einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode im Plus-Zweig der Versorgungsspannung. Nachteil dabei ist das an der Diode ca. 0,7V Spannung abfallen und der gesamte Strom der Schaltung durch sie fließen muss. Über die Leistungsformel (P=U*I) muss errechnet werden, ob die Diode der Last stand hält.

Typischerweise eine auf die Schaltung abgestimmte Schmelzsicherung. Über einen Strombegrenzer könnte man die Schaltung dauerhaft kurzschlußfest designen.

Eine Art der selbstrückstellenden Überlastsicherung stellen PTC's dar. Dies sind Widerstände, die ihren Wert anhand der Umgebungstemperatur ändern. Im Falle des PTC wird der Widerstand mit zunehmender Temperatur größer. Im Falle einer Überlast erwärmt sich der Widerstand aufgrund seiner Verlustleistung selbst und regelt somit den Strom herab. Diese Form der Sicherung erfordert eine genaue Berechnung und Dimensionierung der Werte, damit der PTC im Normalbetrieb neutral ist und die Überlast rechtzeitig herab regelt. Auch die Ansprechgeschwindigkeit ist hier entscheident. Besonders beachten sollte man auch die veränderliche Umgebungstemperatur an der Einbaustelle.

1. Elko zur Pufferung kleiner/kurzer Einbrüche
2. Spannungsregler mit Betriebsspannung unterhalb der zu erwartenden Minimalspannung (z.B. 3.3V oder 5V, dann überlebt die Schaltung auch einen Anlasserzyklus nach „Pulse 4“.
3. Elektronische Abschaltung (z.B. über den Spannungsregler der Schaltung) durch Schmitt-Trigger, OpAmp oder spezielles IC.

http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23

1. Transientenschutzdiode
2. Verpolungsschutzdiode
3. Sicherung (selbst-rückstellend)
4. Entstördrossel (Schützt sowohl die Schaltung als auch den Rest des KFZs)

Für elektronische Schaltungen, die im KFZ eingebaut werden, ist ein besonderer Schutz gegen Störungen aus dem Bordnetz vorzusehen. Die Störungen, denen kommerzielle Baugruppen widerstehen müssen, sind in der Norm ISO 7637 beschrieben. Hier eine Zusammenfassung der wichtigsten Zustände:

Umweltbedingungen:

• Temperaturen von -40 bis 85 °C
• Spannungsschwankungen von 9 bis 16 V. Nominal 12 V im Stand und bei drehendem Motor 14 V.

Die Schaltung muss, von außen gesehen, folgende Zustände „überleben“ (Datenblatt):

• Kurzschlußfest („Selbstheilend“ oder per Schmelzsicherung)
• Verpolungssicher
• Über- und Unterspannungsschutz
• Überlastschutz (Strombegrenzung)
• Betriebstemperatur sämtlicher(!) Bauteile von -44 °C bis +150 °C
• Negative Spannungen (reverse polarity voltage) bis -24 V
• „Load dump“ bis 40 V für 400 ms
• Positive Spannungen bis 60 V
• Elektrostatische Impulse (ESD) bis 4.000 V

Umsetzungen:

Verpolungsschutz:

Einfacher Verpolungsschutz durch eine Diode in Flußrichtung der +12 V Versorgung:

• Wirkung: Die Diode sperrt bei Verpolung den Stromfluß durch die Schaltung
• Vorteile: Einfacher Aufbau, günstig
• Nachteile: Die Diode hat eine Verlustleistung, bedingt durch ihren Spannungsabfall (Wärme) und muss den Strom „aushalten“ der durch sie fließt.

Verpolungsschutz durch eine parallel zur Versorgungsspannung und in Sperrichtung geschaltete Diode:

• Wirkung: Bei Verpolung schließt die Diode die Versorgungsspannung kurz. Die Sicherung spricht an und verhindert ein durchbrennen der Diode.
• Vorteil: Bei korrektem Anschluß hat die Diode keinen Einfluß auf den Rest der Schaltung
• Nachteil: Die Sicherung muss so dimensioniert sein, das sie vor der Diode schmilzt. Zudem ist eine Sicherung davor unbedingt notwendig

Verpolungsschutz mit einer TVS

Links:

• KFZ Schutzschaltung

Zur Verdeutlichung eine Auflistung von Testimpulsen, die ein Kfz-Bauteil gamäß ISO 7637 und DIN 40839 aushalten muss (Quelle: de.sci.electronics-FAQ):

• D1, eine schnelle Überspannungsschutzdiode (auch „Transient Voltage Suppressor“-Diode = TVS-Diode genannt), die Überspannung vor der eigentlichen Spannungsregelung nach Masse ableitet. Typische Vertreter sind Dioden vom Typ P6KExx oder 1,5KExx (xx für die Spannung).
  • SM5S24A, P6KE24A, 1.5KE24, 1SMB12AT3G
• L1, eine Spule (Entstördrossel), die Nadelimpulse hemmt, die nicht vom Elko C1 geglättet werden und die der Spannungsregler nicht mehr ausregeln kann. Typische Werte liegen in der Größenordnung von 47 µH bei einer auf die Schaltung abgestimmten Strombelastberkeit.
• F1 eine Sicherungen, die auch dem Schutz der Überspannungsschutzdiode dient, weil diese bei längeren Überspannungen überhitzen kann. Typische Werte für die Sicherung liegen abhängig vom Strombedarf der Schaltung im Bereich von 1 bis 3 A.

1. Strategie:
   1. Schutz gegen „Mist“ aus dem Bordnetz durch geeignete Filter (47uH Spule in Reihe, 100nF Kondensator parallel)
   2. Schutz gegen Überspannung aus dem Bordnetz (Load-Dump, etc.) durch Transzorb-Diode (Leitet zu hohe Spannungen mit einem Strom bis 10A ab und begrenzt den Eingang des Reglers auf xx V)
   3. Schutz gegen Überlast der Schaltung (Strom)
   4. Schutz gegen Unterspannung (wieviel braucht der Regler damit die Schaltung noch funktioniert?):
      1. Pufferung mit Elko vor dem Regler möglich, dann aber Diode in Sperrichtung davor damit sich dieser nicht ins Bordnetz entladen kann.
      2. Ggf. Brown-Out-Protection. Bei unterschreiten einer bestimmten Spannung wird der Spannungsregler abgeschalten um einen undefinierten Zustand der Schaltung zu verhindern. Dadurch wird letztlich ein kontrollierter Reset ausgeführt.
   5. Soll die Schaltung einen Anlassvorgang „überleben“, sprich dabei in Betrieb bleiben, muss der Regler mit ca. 6-8 V klar kommen und dabei die Ausgangsspannung (i.d.R. 5V) liefern. Dadurch ist ein Low-Drop-Regler sinnvoll.

Sollen lediglich Schaltzustände abgefragt werden und keine besonderen Ströme fliessen, so kann ein einfacher Spannungsteiler mit Kondensator die Eingänge von (CMOS) Bausteinen effizient schützen. CMOS-Bausteine haben integrierte Schutzdioden. Deren Stromlimit liegt jedoch unter 1 mA bei Überspannung bis ca. 1.000 V (bei 50 µs Dauer).

• Active High-Voltage Transient Protectors Trump Conventional Approaches in Automotive Electronics