Hallo
Ich will eine Schaltung entwickeln. Die Stromversorgung erfolgt über
eine Batterie
Die Schaltung hat zwei analoge Eingänge und ein analoger Ausgang. Diese
müssen gegen Überspannung geschützt werden. Das Problem: Bei einem 5kV
Impuls mit einer Energie von bis zu 400J dürfen die Eingänge nicht
einfach kurz geschlossen werden. Der Strom durch die Schaltung muss
begrenzt werden.
Für die Strombegrenzung wollte ich Hochspannungsfeste Widerstände mit
ca. 400k verwenden. Die 400k ergeben sich darauf, dass der maximale
Stromfluss im uA liegen soll. Den eigentlichen Überspannungsschutz
wollte ich zwischen Begrenzungswiderstand und Ein- bzw.
Ausgangsverstärker schalten. Problematisch ist hierbei, dass die
Kapazität des Überspannungsschutz zusammen mit dem Schutzwiderstand
einen Hochpass bildet. Ich habe berechent, dass die Kapazität des
Überspannungsschutz nicht über 5pF liegen darf.
Genau hier fangen meine Probleme an. Thyristoren, Varistoren, .... haben
alle eine zu hohe Kapatität. Kennt jemand vielleicht eine geeignete
TVS-Diode? Die, die ich gefunden habe, haben leider auch eine viel zu
hohe Kapazität, welche von der Eingangsspannung abhängt
(Sperrschichtkapazität).
Als Alternative habe ich mir überlegt, BAV199 Dioden gegen beide
Versorgungsspannungsleitungen zu schalten. Nur wie geht es dann weiter?
Die Schutzbeschaltung soll doch dafür sorgen, dass in den Halbleitern
etc. keine zu großen Potentialdifferenzen entstehen. Dadurch, dass die
Hochspannung mit auf die Versorgungsspannung gegeben wird, verkleinert
sich die Potentialdifferenz im Verstärker. Nur wie geht es dann weiter?
Da das Gerät per Batterie versorgt werden soll, kann die Ladung nicht
gegen Erde abfließen. Meine Überlegung war daher, die BAV199 gegen beide
Versorungsspannungen zu legen. Über die Spannungsregeler will ich
ebenfalls eine Diode legen, damit an diesem keine Potentialdifferenz
anliegt. Damit das Potential zwischen Plus und Minus nicht zu groß wird,
wollte ich zwischen beide eine TVS-Diode legen. Hier stört die Kapazität
nicht. Könnte das ganze so funktionieren?
Kennt jemand zu dem Thema gut Literatur, die ich mir anschauen könnte?
Viele Grüsse,
Tilo
400 joule sind 400 wattsekunden. also 400 watt eine sekunde lang, 4000
watt eine zehntelsekunde lang. das ist bei 5kv fast ein ampere, also
nichts mit strömen im µA bereich!
> Als Alternative habe ich mir überlegt, BAV199 Dioden gegen beide> Versorgungsspannungsleitungen zu schalten.
Du liegst ziemlich richtig.
http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23
Hinter der BAV(1)99 kommt noch ein Widerstand zum IC, wenn es ein
A/D-Wandfler ist mit maximal 10k. Er verhindert, dass bei 0.7V (0oder
bis 1V) Überspannung wegen der Flussspannung der Diode zu viel Strom
durch die Schutzdioden des ICs fliesst.
Wie verhinderst du Überspannung in VCC wohin der Eingangsstrom
abgeleitet wird? 5kV 400k -> 12.5mA, du musst nur 12.5mA verbrauchen.
EInen Teil davon wird deine Schaltung bereits verbrauchen, aber wenn das
weniger als 12.5mA sind, steigt die Spannung an VCC, und eine Batterie
darf nicht geladen weden. Oder doch? Alkali-Mangan würde die 12.5mA
locker überstehen, und dambei sogar ein wenig geladen werden und hält
die Spannung konstant. Vor Überladung wird man ja wohl nicht schützen
müssen.
Wenn aber die Batterie/der Akku über eine Diode als Verpolschutz
angeschlossne ist, oder ein Spannungregler folgt, muss man die 12.5mA
selbst ableiten. Dafür tut es eine Z-Diode/TVS oder sonstiger
Überspannungsschutz, der knapp oberhalb der normalen Betriebsspannung
eingreifen soll, notfalls ein TL431 damit es exakt genug wird.
An VCC stört die Kapazität nicht mehr, an der Signalleitung liegt nur
die BAV.
Schon klar. Das ganze soll etwas EKG-ähnliches werden und ich hätte es
gerne (auch wenn es nicht nötig sein wird) defibrilator-fest gemacht.
Die großen Eingangwiderstände begrenzen den Stromfluss durch meine
Schaltung ausreichend. I=U/R=5kV/2*400k=6,25mA.
Das mit den uA habe ich ein wenig durcheinander gebracht. Die gelten nur
bei "normaler" Spannung, z.B. wenn eine der Leitungen in die Steckdose
gesteckt wird.
Vielen Dank MaWin.
Zwischen Batterie und Schaltung liegt ein Spannungsregeler (genauer
gesagt mehrere Parallel für 5V und 2x3V3).
Dein letzter Absatz ist mir noch nicht so ganz klar, wie die Spannung
abgeleitet werden soll. War mein Ansatz mit der TVS-Diode zwischen Vcc
und Vee richtig?
Viele Grüße,
Tilo
Hehe, kommt mir bekannt vor :-) UU?
Mal ne blöde Frage, sind die BAV(1)99 nicht viel zu langsam? sollte man
da nicht lieber Schottkys oder spezielle TVS Dioden nehmen?
> War mein Ansatz mit der TVS-Diode zwischen Vcc und Vee richtig?
Ja.
Deine Bauteile sind z.B. für 5V +/-0.25V und halten bis 7V aus.
Dann brauchst du eine Z-Diode oder TVS, die zwischen 5.25V und 7V aktiv
wird. Für TVS sind das recht niedrige Toleranzen, daher kann eine TL431
eingestellöt auf 5.5V sinnvoll sein (sind ja nur maximal 12.5mA).
Hallo,
Deine Überlegungen mit BAV199 sind prinzipiell richtig.
Wichtig ist halt daß die TVS-Diode dann direkt am Eingang Deiner
Schaltung bei den BAV199 sitzt. Ein Keramik-Kondensator kann auch helfen
die Störungen verträglicher zu gestalten.
es gibt auch Low-Capacity TVS-Dioden. z.B. hier:
http://www.semtech.com/products/circuit_protection/low-capacitance/rclamp0544t/
Im Prinzip sind dies TVS-Dioden bei denen eine normale Diode in Reihe
(Bei Bidirektionalen TVS-Dioden 2 antiparallele Dioden in Reihe) zur
TVS-Diode geschaltet ist.
Suche mal nach "ESD protection USB"
Für differentielle Signale (CAN) habe ich auch schon gesehen daß ein
Brückengleichrichter zusammen mit einer unidirektionalen TVS verwendet
wurde um Überspannungen abzuleiten.
Es gibt neuerdings auch Polymer-Überspannungsableiter. (z.B. Raychem
Tyco)
Hier gibt es auch Typen deutlich unter 1pF. Die Teile verhalten sich
allerdings eher wie eine Gasentladungslampe, haben also eine
Zündspannung die deutlich höher liegt als die
Brennspannung/Nennspannung.
@Anja:
Danke für die Tips. Mit ESD hatte ich bisher eigentlich nichts zu tun.
Da sich der Strom immer den kürzesten Weg sucht, wollte ich die
Schutzdioden so nah wie möglich anordnen.
Die Idee mit dem Brückengleichrichter hat etwas. Meine beiden Eingänge
sind auch differnziell und die Spannungsdiffernz sollte unter 0,7V
liegen.
Die Polymer-Überspannungsableiter hören sich auch nett an. Muss mal
schaun, wie schnell die Teile sind.
@X- Rocka
Bei Farnell habe ich mich schon durchgewühlt und bisher nicht viel
gefunden (Ich denke da braucht man auch ein wenig Übung für). Ich habe
mit deinem Suchhinweis drei Typen gefunden. Diese werden aber erst
zwischen 35V bis 60V leitend. Die Eingangsstufe des verwendeten OP hat
bereits Schutzdioden gegen Vcc und Vee. aus dem Datenblatt habe ich den
Hinweis, dass man je nach Anforderung zusätzliche BAV199 verwenden soll.
Meine Befürchtung ist nun, dass der Verstärker stirbt, bevor die TVS
leitend werden. MaWin hat den Tip gegeben, den Eingang des Verstärker
mit 10k Ohm in Serie zu schützen. Ich denke der Ansatz passt, allerdings
werde ich das ganze noch durchrechnen.
Danke für eure Tips,
Tilo
Hallo Tilo,
Was verwendest du denn für OPamps an den Eingängen und am Ausgang? Und
wie ist der Eingangswiderstand der Schaltung (-> Leckströme der
Schutzdioden!)
Wie lange dauert so ein 5kV Impuls? Eventuell kannst du den Ableitstrom
in den Elko am Ausgang des Spannungsreglers hineinlaufen lassen?
Außerdem, wenn der Impuls relativ lange ist, kann das kritisch für
deinen 400k Widerstand werden! 5kV^2 / 400k = 62,5W immerhin.
>Meine Befürchtung ist nun, dass der Verstärker stirbt, bevor die TVS>leitend werden.
Unwahrscheinlich, da TVS wirklich sehr schnell sind. Außerdem kann der
Kondensator parallel zum TVS ebenfalls schnelle Spitzen aufnehmen,
selbst wenn der TVS nicht schnell wäre.
Wohin fließen eigentlich die 5kV? Vielleicht ist es besser, die meiste
Energie erst mal um die Schaltung herumzuleiten und mit deinen Dioden
nur einen Feinschutz zu realisieren?
Kai Klaas
