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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik ESD Spannungsteiler Widerstände


Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Hallo Community,

Ich möchte den Spannungsverlauf einer elektrostatischen Entladung aus 
einer ESD-Pistole abbilden. Um den Eingang des Oszilloskops nicht zu 
zerstören, wollte ich die Spannung durch einen Spannungsteiler 
herabsetzen. Ein Verhältnis von 1:1000 sollte hierzu ausreichen. (1k Ohm 
und 1Meg Ohm)
Meines Erachtens benötige ich dazu spannungsfeste Widerstände (bis 15kV) 
die bis zu 1GHz Frequenzstabil sind.
Könnt ihr mir hierfür bestimmte Widerstände empfehlen? bzw. hat jemand 
Erfahrung in diesem Themengebiet?
Bis jetzt habe ich den Tipp erhalten Bulk-Metal-Widerstände zu 
verwenden.
Weiß einer welche Widerstände in den ESD-Targets verwendet werden?
Ich würde mich auch über Ideen zu einem anderen Messaufbau freuen.

Danke für die Hilfe
ESD-Pistole

Autor: soul eye (souleye)
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Schau Dir Annex A und B in der ISO 10605 an, da ist das ESD generator 
verification target beschrieben.

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Hallo soul eye,

Ich hab mir die Norm gerade nochmal durchgelesen. Für den Nachbau im 
Target wurde lediglich beschrieben das SMT 0805 51Ohm Widerstände 
verwendet wurden, weißst du zufällig mehr Daten hierfür?
Für die Spannungsmessung wurde auf ein high-voltage meter verwiesen.. 
Ich verfolge das Ziel, die Messungen auf meiner Messplatine über einen 
Spannungsteiler auszukoppeln.

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Hat jemand noch eine Idee?

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
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ESD-Pistole schrieb:

> Ich möchte den Spannungsverlauf einer elektrostatischen Entladung aus
> einer ESD-Pistole abbilden. Um den Eingang des Oszilloskops nicht zu
> zerstören, wollte ich die Spannung durch einen Spannungsteiler
> herabsetzen.

...und  warum nimmst Du nicht einfach einen fertigen
Hochspannungstastkkopf?

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Bei den Hochspannungstastköpfen ist das Problem, dass sie nur einen 
niedrigen Frequenzbereich haben.. max. 50MHz hab ich bis jetzt 
gefunden.. kennst du einen mit einer höheren Bandbreite?

Bei den Widerständen habe ich das selbe Problem, in den Datenblätter 
wird nicht angegeben in welchen Frequenzbereich die Widerstände noch 
stabil sind..
Weiß jemand aus Erfahrung, dass die Surge Widerstände bis ca. 1GHz 
frequenzstabil sind?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ ESD-Pistole (Gast)

>Bei den Hochspannungstastköpfen ist das Problem, dass sie nur einen
>niedrigen Frequenzbereich haben.. max. 50MHz hab ich bis jetzt
>gefunden.. kennst du einen mit einer höheren Bandbreite?

Nein, aber das sollte dir eine Warnung sein. Einen HF-Tastkopf mit 
ausreichender Bandbreite zur ECHTEN Messung von ESD ist was für absolute 
Vollprofis!!! Das macht man nicht mal so einfach nebenbei. Die 
Spannungsfestigkeit ist das kleinste Problem. Die Bandbreite und der 
halbwegs unverzerrte Frequenzgang sind es.

>Bei den Widerständen habe ich das selbe Problem, in den Datenblätter
>wird nicht angegeben in welchen Frequenzbereich die Widerstände noch
>stabil sind..

>Weiß jemand aus Erfahrung, dass die Surge Widerstände bis ca. 1GHz
>frequenzstabil sind?

1206 könnte ausreichen, für 15kV braucht man aber VIEEEELE in Reihe. Und 
da geht das Problem schon los. Solche großen Strukturen vertragen sich 
schlecht mit 1 GHz. Aber man braucht wahrscheinlich gar keine 
Widerstände, ein rein kapazitiver Teiler reicht hier vollkommen, denn 
der Puls ist so oder so SEHR kurz, nur ein paar Dutzend ns lang. Diesen 
Teiler kriegt man kleiner und damit HF-tauglicher hin. Ist aber dennoch 
alles andere als trivial.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Mit welcher Frequenz werden den diese Burst von einer ESD Pistole 
erzeugt?

Autor: Achim S. (Gast)
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ESD-Pistole schrieb:
> Weiß jemand aus Erfahrung, dass die Surge Widerstände bis ca. 1GHz
> frequenzstabil sind?

Meinst du mit "frequenzstabil", dass die Widerstände bei 1GHz noch 
dominant ohmsch ist (und nicht kapazitiv)? Dann müsste die parasitäre 
Kapazität weit unter 1 fF sein - und so was gibt es imho nicht.

Im Bereich um 50Ohm können sich aufgrund der Leiter-Abmessungen 
kapazitive und induktive Einflüsse die Waage halten, so dass man damit 
zu hohen Frequenzen kommt. Aber 1MOhm Widerstände, die sich auch bei 
1GHz noch als solche verhalten, kenn ich keine.

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Hallo Falk,

Danke für deine Ideen, zur Messung hab ich ein Oszilloskop mit 1GHz 
Bandbreite sowie einem 10:1 1GHz Spannungstastkopf. Die zu messende max. 
Spannung hab ich mittlerweile auf 8kV herabgesetzt. Wenn ich mir einen 
rein kapazitiven Spannungsteiler aus 1nF und 100nF zusammenbauen, ergibt 
sich eine max. Ausgangsspannung von 80V über C1. Diese wollte ich über 
eine Prüfbuchse, in die ich mein Tastkopfspitze stecken kann abgreifen. 
Was haltet ihr von der Idee? bzw. habt ihr Ratschläge?

           || Cc
Uin -------||--------------------- Uout
           ||        |
                     |
                   ----- C1
                   -----
                     |
                     |
GND ------------------------------ GND

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Hallo Thomas O. (kosmos),

Die max. Anstiegszeit von den erzeugten Pulsen beläuft sich auf 1ns

Autor: soul eye (souleye)
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Falk B. schrieb:

> 1206 könnte ausreichen, für 15kV braucht man aber VIEEEELE in Reihe.

Parallel, nicht in Reihe. Gemäß ISO 10605 hat das discharge verification 
target einen DC-Widerstand von 2,1 Ohm. Diese werden durch entsprechend 
viele 51 Ohm-Widerstände der Bauform 0805 realisiert, die kreisförmig 
angeordnet parallel geschaltet sind. Ausgekoppelt wird über 1m RG-400 
Kabel in ein Oszilloskop mit mindestens 1 GHz Analogbandbreite.

Zusätzlich wird die Leerlaufspannung der ESD-Pistole am Generator (also 
vor dem Pulsformer) mit einem DC-Hochspannungstastkopf gemessen.

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Hallo soul eye (souleye),

Weißst du zufällig was für Widerstände bei den ESD-Targets eingesetzt? 
25x Handelsübliche 0805 Widerstände?

Autor: soul eye (souleye)
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In der mir vorliegenden Version der Norm (von 2008) wird keine 
Bezugsquelle genannt.

Autor: SamHor (Gast)
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ESD-Pistole schrieb:
> Ich möchte den Spannungsverlauf einer elektrostatischen Entladung aus
> einer ESD-Pistole abbilden.

Wofür benötigst Du das?

Autor: Thomas O. (kosmos)
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das Ziel ist doch eigentlich diese Impulse möglichst stark zu glätten, 
meist durch eine kapazitive Belastung und die Messung kann man doch 
danach machen um zu sehen ob das Ergebniss passt, die 1nSek Ansteigszeit 
wäre für mich uninteressant das würde ich mal dem Pistolenhersteller 
glauben, interessant wäre es ob die Schutzmaßnahme greift und das sieht 
man dann auch mit einem langsammeren Scope

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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OK danke Soul Eye für die Recherche.

Da sich einige Spezifikationen geändert haben und ich mich auch nicht 
richtig ausgedrückt habe noch einmal die Problemstellung:

Ich würde gerne meine Schaltung mit einer ESD-Pistole testen. Hierzu 
möchte ich die Eingangsspannung und den Eingangsstrom mit und ohne 
Schutzelementen messen.  Für die Strommessung habe ich eine Stromzange 
mit einer ausreichend größen Bandbreite. Für die Spannungsmessung steht 
mir ein 1GHz 10:1 Tastkopf zur Verfügung. Um auch höhere Spannungen als 
ca. 100V zu messen und genau abzubilden, möchte ich eine Schaltung 
entwickeln, um die Spannung herunter zuteilen und diese anschließend zu 
messen ohne mein Oszillskop zu zerstören. Die Aufladespannung der 
ESD-Pistole soll 8kV betragen. (Es besteht schon der Wunsch den 
Spannungsverlauf der ESD-Pistole abzubilden.)

Die erste Lösung war ein rein ohmschen Spannungsteiler zu entwickeln, 
sodass die Spannung um den Faktor 1:1000 kleiner ist. Da ich keine 
passenden Widerstände gefunden habe (und es diese wohl auch nicht gibt) 
überlege ich nun die Lösung von Falk umzusetzen.
Also einen rein kapazitiven Spannungteiler mit einem Verhältnis von 
1:1000 zu bauen und die Spannung über eine Prüfbuchse mit meinem 
Spannungstastkopf abzugreifen. Ist diese Lösung nach eurem Verständnis 
so umzusetzen oder verrenne ich mich hier sowieso an einer Stelle?

Eine weitere Idee bestand darin, die Spannung einfach über eine 
SMA-Buchse auszukoppeln und über ein Dämpfungsglied von 60dB zu messen. 
Hierfür habe ich aber kein Dämpfungsglied gefunden, welches eine 
ausreichend hohe Spannungsfestigkeit bietet.

Für weitere Ideen und Ratschläge bin ich sehr dankbar

ESD-Pistole

Autor: SamHor (Gast)
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ESD-Pistole schrieb:
> rein ohmschen Spannungsteiler

Bei der Bauteilebetrachtung bis 1 GHz wirst Du feststellen, dass 
Widerstände, Kondensatoren, Spulen und alle weiteren elektronischen 
Bauteile immer ohmsche, kapazitive und induktive Anteile besitzen. Die 
Messfehler, die daraus resultieren, solltest Du versuchen zu minimieren, 
was allerdings alles Andere als trivial ist.

Autor: soul eye (souleye)
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ESD-Pistole schrieb:

> Also einen rein kapazitiven Spannungteiler mit einem Verhältnis von
> 1:1000 zu bauen und die Spannung über eine Prüfbuchse mit meinem
> Spannungstastkopf abzugreifen.

Das wird nicht klappen, da der kapazitive Spannungsteiler ja ebenfalls 
eine Kapazität hat. D.h. er reduziert die Amplitude des Prüfpulses und 
verfälscht dadurch das Ergebnis.

Dein Prüfpuls kommt aus einem Kondensator mit 150 oder 330 pF. Dein 
Spannungsmessaufbau sollte daher maximal 1,5 pF Streukapazität am 
Eingang haben. Das schafft gerade mal eine gute FET-Probe (die dann aber 
nur 10 V aushält...)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ESD-Pistole (Gast)

>Spannung hab ich mittlerweile auf 8kV herabgesetzt. Wenn ich mir einen
>rein kapazitiven Spannungsteiler aus 1nF und 100nF zusammenbauen,

. . . hast du deine ESD-Pistole abgewürgt ;-)
Der Tastkopf sollte die ESD-Entladnung ja nicht sonderlich stark 
belasten. ich würde mal eher mit 10pF + 1nF ins Rennen gehen.

>sich eine max. Ausgangsspannung von 80V über C1. Diese wollte ich über
>eine Prüfbuchse, in die ich mein Tastkopfspitze stecken kann abgreifen.
>Was haltet ihr von der Idee? bzw. habt ihr Ratschläge?

Wie bereits gesagt muss das Ganze SEHR HF-tauglich sein. Also muss man 
vom Spannungsteilerabgriff mit 50 Ohm Koaxkabel zum Oszi gehen. 50 Ohm 
Eingänge vertragen keine 80V, eher so 10V. Also muss man kapazitiv 
1000:1 teilen, z.B. 10pF + 10nF.

Und dann muss man die Tastkopfanbindung an die ESD-Pistole auch recht 
gut durchdenken, das ist nicht trivial. Im Idealfall ist sowas in der 
Pistole integriert.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ESD-Pistole (Gast)

>richtig ausgedrückt habe noch einmal die Problemstellung:

Das ist DEUTLICH besser, siehe Netiquette.

>Ich würde gerne meine Schaltung mit einer ESD-Pistole testen. Hierzu
>möchte ich die Eingangsspannung und den Eingangsstrom mit und ohne
>Schutzelementen messen.

Kann man machen, ist aber wenig sinnvoll.

>  Für die Strommessung habe ich eine Stromzange
>mit einer ausreichend größen Bandbreite.

Wirklich?

> Für die Spannungsmessung steht
>mir ein 1GHz 10:1 Tastkopf zur Verfügung.

Welche transiente Maximalspannung verkraftet der?

> Um auch höhere Spannungen als
>ca. 100V zu messen und genau abzubilden, möchte ich eine Schaltung
>entwickeln, um die Spannung herunter zuteilen und diese anschließend zu
>messen ohne mein Oszillskop zu zerstören. Die Aufladespannung der
>ESD-Pistole soll 8kV betragen. (Es besteht schon der Wunsch den
>Spannungsverlauf der ESD-Pistole abzubilden.)

Kann man aus akademischen Interesse machen, geht aber am ESD-Test 
meilenweit vorbei. Dort mißt man bestenfalls die Spannungen HINTER den 
Schutzelementen.

>Eine weitere Idee bestand darin, die Spannung einfach über eine
>SMA-Buchse auszukoppeln und über ein Dämpfungsglied von 60dB zu messen.
>Hierfür habe ich aber kein Dämpfungsglied gefunden, welches eine
>ausreichend hohe Spannungsfestigkeit bietet.

Eben!

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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Hallo,

Danke für die ganzen Ratschläge, ich habe mich entschieden einige Punkte 
aus meiner Betrachtung zu verwerfen. Die veraussichtliche höchste 
Spannung die auftreten kann wird nur 800V sein. Diese wurde in einer 
Simulation ermittelt und ergibt sich aus einem Burst-Beschuss von 
mehreren Entladungen auf die veraltete Schutzbeschaltung.

Da ich diese Höhe der Spannung immer noch nicht direkt messen kann, komm 
ich wieder zurück zu dem Spannungsteiler.
Jetzt steht wieder die Frage im Raum, ob es wie nach Falks Ansicht 
sinnvoll ist ein kapazitiven Spannungsteiler bestehend aus 10pF+1nF 
(1:100) oder wieder einen "rein" ohmschen? Soul Eye hatte angemerkt, 
dass der Kapazitive Spannungsteiler den Impuls dämpfen wird. Diese 
Aussage konnte ich meiner Simulation nicht bestätigen.

Für die Auswahl der Kondensatoren, hatte ich 1206 Kondensatoren mit 
einer Spannungsfestigkeit von 1kV angedacht. Wie sieht es hier mit dem 
Frequenzgang aus? Bei der hohen Spannungsfestigkeit sieht der 
Frequenzgang der meisten so aus, dass die Impedanz schon bei 50-10MHz 
extrem absinkt. Habt ihr hierfür alternativen?
Oder sollte man wieder zu dem ohmschen Spannungsteiler zurückkehren, da 
hier die Widerstände meist "frequenzstabiler" sind?


Nochmal zur Info:
- Tastkopf verträgt max. 300V, das Oszilloskop aber nur 5V Veff und +- 
20V Spitzen

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Schau mal hier, das ganze sollte es auch günstig bei Ali geben.
http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/10...

Der Spannungsteiler von 1:1000 sollte doch reichen. Es ist aber so das 
zu Entstörzwecken genau dieser Impulse meist kleine Kerkos im nF Bereich 
in den Leitungen kommen die belasten den Impuls so stark das kaum mehr 
was übrig bleibt.

Simulier das doch mal durch, Impuls x kV aus der 150pF Pistole auf einen 
Kerko mit 10 nF. Und dann den Spannungsanstieg am Kerko beobachten.
http://images.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@Thomas O. (kosmos)

>Schau mal hier, das ganze sollte es auch günstig bei Ali geben.
>http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/10...

Und ist vollkommen wertlos. Das ist ein 08/15 Tastkopf Für 
GLEICHSPANNUNG!! Der ist nicht frequenzkompensiert, von 1GHz ganz zu 
schweigen!

>Der Spannungsteiler von 1:1000 sollte doch reichen. Es ist aber so das
>zu Entstörzwecken genau dieser Impulse meist kleine Kerkos im nF Bereich
>in den Leitungen kommen die belasten den Impuls so stark das kaum mehr
>was übrig bleibt.

AHA!!! Sehr sinnvoll für ein Meßgerät!!!

Autor: ESD-Pistole (Gast)
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hallo,

den Tastkopf ist nicht für meine Zwecke ausgelegt..
in dem anderen Link habe ich aber 1-2 sinnvolle Sachen entdeckt :) also 
danke für den post :)

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