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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik N-Kanal open drain


Autor: Jonny B. (jonnybgood)
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Hallo!

Ich arbeite gerade an einer Schaltung die mehrere open Drain Ausgänge 
hat.
Der Drain Anschluss des N-Kanal FETs wird direkt auf eine Stiftleiste 
geführt, diese Stiftleiste wird beim an- und abstecken immer wieder vom 
Benutzer berührt.
FETs sind ja bekanntlich sehr empfindlich gegen statische Ladung.

Meine Frage nun: wie kann ich den Transistor so schützen das er bei 
berühren des PINs auch längerfristig nicht beschädigt wird?
Ich habe gehört es soll spezielle open Drain FETs für solche Anwendungen 
geben, allerdings habe ich noch nichts dergleichen gefunden.

Vielleicht kann mir ja jemand helfen.

Danke & LG, Jonny...

Autor: Michael (Gast)
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Man könnte doch zum Beispiel, der Einfachheit halber, eine 
Schutzbeschaltung mit Dioden vorsehen die die maximale Spannung am Pin 
begrenzen. Oder halt einen geeigneten FET verwenden ;)

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Jonny B. schrieb:
> FETs sind ja bekanntlich sehr empfindlich gegen statische Ladung.

Nur am Gate, nicht am Drain.  Da sind sie ungefähr so empfindlich
wie ein gewöhnlicher Widerstand. ;-)

Autor: Jonny B. (jonnybgood)
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Michael schrieb:
> Schutzbeschaltung mit Dioden vorsehen die die maximale Spannung am Pin
>
> begrenzen. Oder halt einen geeigneten FET verwenden ;)

Was wäre denn ein geeigneter FET?

Und wie würde so eine Schutzbeschaltung aussehen? Mit Zener Dioden?


Jörg Wunsch schrieb:
> Nur am Gate, nicht am Drain.  Da sind sie ungefähr so empfindlich
>
> wie ein gewöhnlicher Widerstand. ;-)

Wieso sind sie denn nur am Gate so empfindlich? Das würde also bedeuten 
ich kann mir eine Schutzbeschaltung sparen?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Jonny B. schrieb:
> Wieso sind sie denn nur am Gate so empfindlich?

Weil die Isolationsschicht unter dem Gate nur einige Nanometer dick
ist (man kann sie also schon fast nach "Atomlagen" an Siliziumdioxid
messen), sodass sich entsprechend E = U / a riesige Feldstärken dort
aufbauen.  Das ist natürlich im Prinzip gewollt, denn die Feldstärke
ist ja letztlich das, was den eigentlichen Einfluss auf den Kanal
darstellt (und damit die Steilheit des FET bestimmt), aber bei einer
ESD-eingekoppelten Spannung von vielleicht der 100...1000fachen
Spannung, für die die Gate-Source-Strecke ausgelegt ist, schlägt das
Gateoxid dann irgendwann durch.

> Das würde also bedeuten
> ich kann mir eine Schutzbeschaltung sparen?

Das wiederum hängt natürlich davon ab, insbesondere über welche
eingekoppelte Energiemengen man hier spricht.  Wenn aber nur die
Drain-Source-Strecke zugänglich ist, dann ist ein FET nicht
empfindlicher als ein x-beliebiger Bipolartransistor.  Wenn die
Energiemengen größer werden, kommst du natürlich irgendwann in
den Bereich, wo du auch die maximale Drain-Source-Spannung dadurch
überschreiten würdest, dann brauchst du weitere Ableitmaßnahmen.
(Stell dir als Extremfall einfach mal vor, ein Blitz würde auf den
Drain-Kontakt einschlagen. ;-)

Autor: Jonny B. (jonnybgood)
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Jörg Wunsch schrieb:
> Stell dir als Extremfall einfach mal vor, ein Blitz würde auf den
>
> Drain-Kontakt einschlagen. ;-)

Das heißt also ich sollte zur Sicherheit eine Zenerdiode parallel zum 
Ausgang schalten.
Da ja die statische Spannung die man manchmal am Körper hat (zb. 
Autotüre) im kV bereich liegt oder?

Autor: Michael (Gast)
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Ja, die Spannung kann einige kV betragen aber die Energiemenge ist 
relativ gering (350mJ gelten schon als Lebensgefährlich wenn man die 
abbekommt, daher nehme ich an, dass sich der Mensch nicht auf eine 
solche Energiemenge aufladen kann). Eine Zehnerdiode könnte hier 
durchaus als Schutzmaßnahme wirken. Oder du schließt zwei in Serie 
verschaltete Diode, die von der negativen Betriebsspannung zur positiven 
Betriebsspannung gehen. Der fragliche Pin wird dann zwischen beide Diode 
angeschlossen wodurch dann die Spannung an diesem Pin die jeweilige 
Betriebsspannung nicht (wesentlich) überschreiten kann. Diese 
Schutzmaßnahme ist oft schon in ICs integriert die ESD-geschützt sind.

Im Anhang mal ein Bild, C1 und R1 stellen mal einen Menschen dar, der 
mit 15 kV aufgeladen ist (Kapazität nahm ich 100 uF an, bei 15 kV sind 
das etwa ein dreiviertel Joule, und einen Innenwiderstand von 1k Ohm 
aufweist). Der Plot zeigt die Entladung. Du siehst, am Pin entsteht grad 
mal eine Spannung von ca. -1.3 V. Dreht man die Spannung um sind es etwa 
13.3V (einfach mal bei der Kondensatorspannung das Vorzeichen drehen 
;)).

Zum selbst mal simulieren hier der Code für Spice
.tran 0.1m 1 UIC
.print tran v(Drain)
D1 0 Drain 1N4007 1.0 OFF TEMP=27
D2 Drain 1 1N4007 1.0 OFF TEMP=27
Vdc1 1 0 DC 12
R1 2 Drain 1k
C1 0 2 100u IC=15k
.MODEL 1N4007 D (
*Fairchild Semiconductor
+ IS = 3.872E-09 RS = 1.66E-02 N = 1.776
+ XTI = 3.0 EG = 1.110 CJO = 1.519E-11 M = 0.3554
+ VJ = 0.5928 FC = 0.5 BV = 1000.0 IBV = 1.0E-03
+)

.end

Autor: Jonny B. (jonnybgood)
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Die Schutzbeschaltung mit den beiden Dioden sieht gut aus :-P die werde 
ich verwenden.
Wie ich sehe hast du bei der Simulation die 1N4007 verwendet, die 
scheint ja vollkommen auszureichen.

Danke & LG, Jonny...

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Die Diode D1 (von GND nach Drain) kannst du dir sparen, da sie der
Mosfet schon als Substratdiode (Body-Diode) enthält. Wenn dein Mosfet
etwas kräftiger ist (TO-220-Gehäuse o.ä.), hält die Substratdiode zudem
ein Vielfaches mehr aus als eine 1N400x (bei einem IRLZ34N bspw. 30A
Dauer- und 110A Spitzenstrom).

Auch D2 brauchst du wahrscheinlich nicht. Die maximale Drain-Source-
Spannung wird zwar bei der elektrostatischen Entladung beim Anfassen
deutlich überschritten, so dass ein Avalanche-Durchbruch stattfindet.
Dieser zerstört den Mosfet aber nur dann, wenn die Entladungsenergie
einen gewissen Wert überschreitet. Nach MIL-STD-883 wird eine Person
durch eine auf maximal 4kV geladenen Kapazität von 100pF mit einem
Serienwiderstand von 1,5kΩ modelliert. Das entspricht einer Energie von
0,5·(4kV)²·100pF = 0,8mJ, wovon aber nur ein Teil an den Mosfet abgege-
ben wird. Ein Mosfet wie der IRLZ34N hält aber 110mJ, also locker zwei
Größenordnungen mehr aus.

Durch Herumfummeln am Drain-Anschluss wirst du also einen Leistungs-
mosfet nicht kaputt bekommen. Wenn du allerdings sehr kleine Mosfets
benutzt, kann die Diode zu positiven Versorgungsspannung evtl. sinnvoll
sein.

Autor: Michael (Gast)
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Jonny B. schrieb:
> Die Schutzbeschaltung mit den beiden Dioden sieht gut aus :-P die werde
> ich verwenden.
> Wie ich sehe hast du bei der Simulation die 1N4007 verwendet, die
> scheint ja vollkommen auszureichen.
>
> Danke & LG, Jonny...

Das sollte nur die Beschaltung verdeutlichen, die ich meinte. Ist eine 
Standard-Schutzbeschaltung. Die 1N4007 hab ich nur genommen weil ich 
durch Zufall aus sie geklickt habe. Es kann auch eine andere sein. Aber 
wie auch schon Yalu schrieb, dem FET wirds wahrscheinlich eh wurscht 
sein wenn man ihn am Drain (nicht mit Gate verwechseln) anpackt, ob mit 
oder ohne Schutzbeschaltung ist egal. Soviel Energie baut sich beim 
Menschen nicht auf. Yalu schrieb ja, das Modell des Menschen ist 100pF 
und 1.5 kOhm, ich rechnete mit 100uF und 1 kOhm (schärfere Bedingungen 
wie sie nie auftreten werden).

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