Freilaufdiode / Varistor

   Freilaufdiode = Schaltdiode

Eine Freilaufdiode ist kein eigener Diodentyp, sondern in der Regel eine normale Schaltdiode, die nach ihrem Einsatzgebiet benannt wird. Der Name leitet sich also vom Verwendungszweck ab. Beim Abschalten induktiver Lasten wie Spulen in Relais oder Motoren entsteht eine Spannungsspitze, die die nachgeschaltete Elektronik, etwa einen Transistor, beschädigen kann. Wird eine Diode so zur Spule geschaltet, dass der Abschaltstrom über sie weiterfließen und sich abbauen kann, nennt man sie Freilaufdiode. Für die meisten Anwendungen genügt eine Standard-Schaltdiode, die parallel zur Spule in Sperrrichtung angeschlossen wird, also mit der Kathode an Plus und der Anode an Minus.

Da der Strom noch eine gewisse Zeit weiterfließt, bis er vollständig abgeklungen ist, eignet sich die einfache Schaltung mit einer normalen Schaltdiode nicht, wenn schnelles Schalten im Millisekundenbereich erforderlich ist. Bei Lastrelais kann die dadurch entstehende Verzögerung zudem zu verstärkter Lichtbogenbildung führen, was die Lebensdauer des Relais beeinträchtigen kann.

   Auslegung

Diode:
Für die genaue Auslegung einer Freilaufdiode müsste man auch die Werte der Spule kennen. Da diese jedoch in den aller seltensten Fällen vorliegen, erfolgt die Auswahl meist nur überschlägig. In jedem Fall sollte die Diode hinsichtlich ihrer Spannungsfestigkeit deutlich über der in der Schaltung verwendeten Spannung liegen und von der Strombelastbarkeit her mindestens den Spulenstrom verkraften können. Normale 1N400x-Dioden sind für 1 A Nennstrom ausgelegt, können aber kurzzeitig auch mehrere Ampere verkraften. In der Regel kommt man bei einer Relaisschaltung mit diesen Typen aus.

   Varistor (Umpolung und PWM)

Mit einer normalen Schaltdiode (1N4xxx) kommt man bei der Ansteuerung eines Relais in den meisten Fällen gut zurecht. Auch bei Motoren reicht prinzipiell eine einfache Schaltdiode aus. Problematisch wird es jedoch, wenn die Polarität zur Änderung der Drehrichtung wechseln kann oder muss. Bei einer Umpolung würde die Diode dann einen Kurzschluss verursachen und durchbrennen. Für solche Fälle bietet sich ein Varistor an, da er polungsunabhängig ist. Ein Varistor ist ein Widerstand, der zunächst einen sehr hohen Widerstand hat und bei Erreichen einer bestimmten Spannung niederohmig wird. Da Varistoren sehr schnell reagieren und den Strom unmittelbar begrenzen, eignen sie sich auch gut für PWM-Signale.

Im oben gezeigten Beispiel findet keine Umpolung statt, daher könnte hier auch eine einfache Schaltdiode zum Einsatz kommen. Ein sinnvoller Anwendungsfall wäre zum Beispiel eine H-Brückenschaltung, wie in der folgenden Beispielschaltung gezeigt:

   Auslegung

Varistor:
Bei der Auswahl eines Varistors sollte darauf geachtet werden, dass seine Grenzspannung mindestens 20 % über der Netzspannung liegt und zugleich nicht höher ist als die maximal zulässige Spannung der zu schützenden Elektronik. Bei einem Transistor wären das zum Beispiel UCB bzw. UCE, siehe Datenblatt. Beim Strom gilt dasselbe Auslegungsproblem wie bei einer Diode, denn die Werte der Spule sind in den seltensten Fällen bekannt. Der Einfachheit halber wird daher großzügig überdimensioniert, was sich bei einem Standardtyp meist von selbst ergibt.

Beispiel: Für ein Kfz wird eine Schaltung mit einem Transistor aufgebaut und auf nominal 12 V ausgelegt. Die Bordspannung kann bei laufendem Motor bis etwa 14 V und auch etwas darüber liegen, daher nimmt man 15 V an. Darauf werden 20 % aufgeschlagen: 15 V × 1,2 = 18 V. Die maximale UCE-Spannung des Transistors läge in diesem Beispiel bei 50 V. Gesucht wird also ein Varistor mit einer Grenzspannung zwischen 18 V und 50 V. Ein gängiger Typ wäre zum Beispiel der MOS-Varistor 07D220K (Metal Oxide Surge Suppressor) mit einer Grenzspannung von 22 V und einem Ableitstrom von maximal 250 A bei einer Impulsdauer von 8/20 µs oder 10.000-mal 10 A (alle 10 Sekunden) bei Raumtemperatur.