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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Grundsatzfrage: Warum sterben Bauteile bei Überspannung ?


Autor: UBoot-Stocki (Gast)
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Hi,

sau blöde Frage:

Ein TTL-IC oder ein AVR-Controller (also ein "komplexes Bauteil" sind 
für eine bestimmte Maximalspannung ausgelegt. Wird diese überschritten 
(nehme ich an) kann (muss aber nicht) das Bauteil trotzdem noch 
funktionieren. Erst wenn die Spannung weiter erhöht wird, kommt es dann 
zum thermischen Tod des Bauteils durch Überströme.

Stimmt das ?

Dabe stellt sich natürlich die Frage ob bei thermischen Vorgängen die 
Zeit eine Rolle spielt?  Nehmen wir mal an, diese Grenze wäre z.B. bei 
12V. Dann würde das Bauteil sicher nicht zerstört werden, wenn diese 
Überspannung nur kurz (was auch immer das jetzt ist - ms, ns ?) anliegt.

Liege ich mit diesen Überlegungen jetzt völlig falsch ?

Gebt mir bitte mal Euere Überlegungen dazu ....

Gruß

Andreas

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ UBoot-Stocki (Gast)

>funktionieren. Erst wenn die Spannung weiter erhöht wird, kommt es dann
>zum thermischen Tod des Bauteils durch Überströme.

>Stimmt das ?

Nein. Überspannung ist vergleichbar mit Zugbelastung für ein Seil. Es 
ist vielleicht für 5 kg ausgeleget, 10kg hält es auch noch, bei 15kg 
reisst es.
Allerdings verschleisst bzw. altert es bei 10kg deutlich schneller.

>Liege ich mit diesen Überlegungen jetzt völlig falsch ?

Es gibt sehr viele Schädigungsmechanismen. Bauteile können auch durch 
hohe Spannung ohne Stromfluss zerstört werden. Da wird dann auch keine 
Leistung (Wärme) freigesetzt, aber das Material bekommt einen "Knacks" 
(elektrische Durchschläge, Materialveränderung etc.)

MfG
Falk

Autor: UBoot-Stocki (Gast)
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Hi,

ja, das stimmt natürlich, dass Kondensatoren bei hohen Spannungen durch 
das hohe elektrische Feld "durchschlagen" können und es dann zu einem 
Stromfluss kommt.

Ist das nun der Grund für einen Controller-Tod bei z.B. 12V Spannung ?

Gruß

Andreas

Autor: 6632 (Gast)
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Schau dir mal die Strukturen an. Silizium, mit Isolationsschichten und 
Strukturbreiten im um Bereich. Eine Sperrschicht ist auch im um Bereich. 
Wenn man da die Feldstaerken ausrechnet, kommt man schnell mal auf 
kV/mm. Und wenn man die Stromdichten ausrechnet auf kA/mm^2. Es ist ein 
Wunder dass ueberhaupt etwas in dieser Richtung geht. Irgendwo sind die 
Grenzen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ UBoot-Stocki (Gast)

>Ist das nun der Grund für einen Controller-Tod bei z.B. 12V Spannung ?

Unter anderem.

MFG
Falk

Autor: yalu (Gast)
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Ob beim Durchschlag der Isolierschicht eines Mosfet diese durch den
thermischen Effekt des Stromflusses oder durch das Eindringen von
Elektronen an sich zerstört wird, weiß ich nicht. Ist letzteres der
Fall, was ich eher vermute, hilft selbst das Ausschalten im ns-Bereich
nichts.

Bei Bipolartransistoren, Dioden usw. die prinzipiell in jede Richtung
zumindest schwach leitfähig sind, kann ich mir gut vorstellen, dass
hinreichend kurze Überspannungsimpulse keine negative Wirkung haben,
und tatsächlich die Temperatur Ursache der Zerstörung ist.

Unabhängig davon geht natürlich auch dann nichts kaputt, wenn der
Impuls so extrem kurz ist, dass die bewegte Ladung schon vor dem
Erreichen von empfindlichen Komponenten vollständig von den überall
vorkommenden parasitären Induktivitäten und Kapazitäten gestoppt wird.

Autor: Michael P. (desilva)
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Hat Falk ganz gut zusammengefasst. Aber wie immer sind auch Details 
interessant.

CMOS- Eingänge, ein beliebtes Thema: Sie sind heute ziemlich 
spannungsgeschützt durch ESD-Dioden; schließlich haben wir bei trockener 
Luft alle 2 kV "im kleinen Finger"! Halbleiterschichten und Elektrolyte 
sind hier sehr empfindlich! Aber bei sehr hohen Feldstärken  ab 100 kV 
treten auch in anderen Materialien nicht mehr beherrschbare Effekte auf: 
Die geladenen Teilchen werden zu stark verschoben, oder sogar "getrennt" 
(= "Ionisation", s. Lichtbogen)

Diese praktischen Schutzdioden sind der Alptraum aller 
"Mischvoltanwender": Es gibt keine sicherere Methode einen 3,3V Chip zu 
braten, als an seinen Eingang eine - nicht Strom begrenzte! - 5V 
Spannung anzulegen. Strombegrenzt heißt hier 100µA, mit etwas Glück 
1mA....

Denn es  geht in der Regel wirklich nur etwas kaputt wenn irgendwo lokal 
(!) elektrische Energie (U*I) in  Wärme umgewandelt wird, die nicht mehr 
rechtzeitig  abtransportiert werden kann... Dann "schmilzt" da 
irgendwas.. Mit Glück war es die Feinsicherung :-)

Kurzzeitig können deswegen durchaus höhere Spannungen und Ströme benutzt 
werden. Eine "normale" LED kann man durchaus mit 1A pulsen, aber nur 
wenige ms lang und mit einem Tastverhältnis von 1:100. In den 99 ms 
kühlt sie sich wieder ab - meistens.

Die genaue Stelle wo dann letztendlich etwas kaputt geht, bleibt meist 
unklar. Aber in einem Chip sind selten 1/4 W  Widerstände drin.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Michael P. (desilva)

>Spannung anzulegen. Strombegrenzt heißt hier 100µA, mit etwas Glück
>1mA....

Mach mal halblang. Die meisten ICs halten 1mA durch die Schutzdioden 
problemlos aus, die TTL Sachen sind soger abis 20mA spezifiziert, FPGAs 
& Co bis 10mA.

MfG
Falk

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