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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik TVS - Dioden Schutzschaltung Funktion erklären ?


Autor: H-G S. (haenschen)
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Hallo!

Ich habe es nicht geschafft, im Netz eine Detail-Erklärung zur 
Funktionsweise einer TVS-Schutzbeschaltung zu finden.

Vor allem interessiert mich der Teil wo die Klemmenspannung von bis zu 
17V (bei 5V-TVS) am Ende verbleibt ohne Schaden anzurichten.

Ich würde das gerne simulieren doch dieses Simulationsprogramm (LT-Spice 
?) ist schwer zu bedienen.


Ich weiss soviel dass die normalen Dioden die Überspannung auf die 
Versorgungsspannung lenken wo die eigentlich TVS-Diode sie auf bis zu 
17V klemmt. Sind diese 17V ungefährlich weil zu kurzlebig (ns-Bereich) 
oder werden sie vom nahen 100nF-Kondensator geglättet ?

Autor: Boiler (Gast)
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H-G S. schrieb:
> Vor allem interessiert mich der Teil wo die Klemmenspannung von bis zu
> 17V (bei 5V-TVS) am Ende verbleibt ohne Schaden anzurichten.

Es wird zu Wärme.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Boiler schrieb:
> Es wird zu Wärme.

Bevor es die zu schützende Schaltung erreicht ? Oder ist es egal weil 
nur kurzzeitig ?

Autor: Falk B. (falk)
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@H-G Sch (haenschen)

>Vor allem interessiert mich der Teil wo die Klemmenspannung von bis zu
>17V (bei 5V-TVS) am Ende verbleibt ohne Schaden anzurichten.

Nehmen wir an, zwischen einer Signalleitung und GND schlägt der 
ESD-Funken ein. Dieser will die Spannung an dem Signal (links am 
Stecker) hochziehen.
Das geht aber nur solange, bis die Dioden zwischen Signal und +5V 
leitfähig werden. Dann fließt die Ladung aus dem ESD-Puls über diese 
Diode nach +5V ab.
Da die Stromstärke allerdings beachtlich sein kann, je nach Puls im 
Bereich mehrerer Ampere bis zu 20-30A, steigt auch die +5V Spannung an, 
weil ja kurzzeitig massiv Strom dort reinfließt.
Der 100nF Kondensator kann dieses Strom nur sehr begrenzt aufnehmen, die 
Spannung steigt dennoch, wenn gleich verlangsamt. Hier kommt die Z-Diode 
ins Spiel. über diese fließt die Ladung dann ab und begrenzt somit den 
Spannungsanstieg.
Allerdings sind die Flußspannungen der Dioden bei 20-30A deutlich über 
1V, eher im Bereich von 10-20V, je nach Typ.
Also steigt die Spannung an den Signalleitungen links auf ca. 10-20V an. 
Am IC rechts bleibt sie aber auf 5V, weil dazwischen ja noch die 
Widerstände liegen. Diese begrenzen den Strom in den IC. Damit fließt 
nur sehr wenig Energie vom ESD-Puls in den IC, welcher ja auch wieder 
ESD-Schutzdioden hat, nur daß diese deutlich schwächer sind.

>Ich weiss soviel dass die normalen Dioden die Überspannung auf die
>Versorgungsspannung lenken wo die eigentlich TVS-Diode sie auf bis zu
>17V klemmt. Sind diese 17V ungefährlich weil zu kurzlebig (ns-Bereich)

Jain. Ein wichtiges Element sind die Widerstände zwischen den 
Schutzdioden und dem zu schützenden IC. Je nach Schaltung kann man die 
hochomig machen, machmal auch nicht. Dann muss man das mit 
Längsinduktivitäten abfangen. Hier hat man das "Glück", daß ESD-Pulse 
sehr hochfrequent sind und schon kleinste Induktivitäten im Bereich 
weniger uH reichen.
Oft reicht es auch, einfach eine etwas längere Verbindungsleitung 
zwischen Schutzdioden und IC zu lassen. Darum sollten die Schutzdioden 
so nah wie möglich am Steckverbinder liegen.

>oder werden sie vom nahen 100nF-Kondensator geglättet ?

Nur sehr wenig. Dieser Kondensator kann nur eine handvoll Nanosekunden 
den Strom aufnehmen, dann ist er voll und die Spannung steigt nur leicht 
verlangsamt. Das reicht aber.

100nF = 100 nAs/V

D.h. wenn man dort 10A für 10ns reinfließen läßt, steigt die Spannung um 
1V. Oder 30A für ~3ns.

Autor: Falk B. (falk)
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Seite 4 ff.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Ich frage mich eher was mit den 17V auf der Versorgungsspannungs-Schiene 
passiert.

Wandert die nach rechts zum EEPROM oder nicht ? Sind die 17V vielleicht 
nur sehr kurzlebig und bewirken nichts mehr gefährliches (Auf der 
Versorgungsspannung) ?

Das ist übrigens eine TVS-Diode, ich habe wohl aus Versehen das Symbol 
für die Z-Diode verwendet.


Edit: negative Spannungsspitzen werden auf die Durchlass-Spannung der 
TVS-Diode geklemmt laut youtube-Video.

Edit 2: Das PDF ist prima ... wo hast du das nur ausgegraben :-)

: Bearbeitet durch User
Autor: Falk B. (falk)
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@ H-G Sch (haenschen)

>Ich frage mich eher was mit den 17V auf der Versorgungsspannungs-Schiene
>passiert.

>Wandert die nach rechts zum EEPROM oder nicht ?

Hoffentlich nicht. Auch hier sol/muss die Leitungsinduktivität und 
weitere Kapazitäten dafür sorgen, daß die Versorgungsspannung nicht zu 
sehr angehoben wird.

> Sind die 17V vielleicht
>nur sehr kurzlebig

Ja.

> und bewirken nichts mehr gefährliches (Auf der
>Versorgungsspannung) ?

Naja, hoffentlich. Aber das ist eine schwierige Frage. Denn auch mit 
einem 10ns Überspannungsimpuls kann man ICs schädigen.

>Edit: negative Spannungsspitzen werden auf die Durchlass-Spannung der
>TVS-Diode geklemmt laut youtube-Video.

Dann ist diese Aussage schlicht falsch. Denn negative Überspannungen 
werden von der jeweiligen Diode gegen GND geklemmt, da ist keine TVS im 
Spiel.

Autor: Bastler (Gast)
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Hallo

"Nehmen wir an, zwischen einer Signalleitung und GND schlägt..."

vielen Dank für die gute und sehr anschauliche Erklärung - so macht das 
Forum Spaß, bringt einen wirklich weiter und trägt zur 
Wissensverbreitung bei.

Beiträge wie dieser gleichen die Grabenkämpfe, Beleidigungsschlachten 
und genörgel wegen Nebensächlichkeiten mehr als aus.

www.mikrocontroller.net at it's best !!!

Ganz großes Daumen hoch

Bastler

Autor: H-G S. (haenschen)
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Bastler schrieb:
> "Nehmen wir an, zwischen einer Signalleitung und GND schlägt..."
>
> vielen Dank für die gute und sehr anschauliche Erklärung - so macht das
> Forum Spaß, bringt einen wirklich weiter und trägt zur
> Wissensverbreitung bei.

Ich habe auch manchmal Vorstellungs-Schwierigkeiten bei dem 
Strom-Potential-Zeugs, vor allem jetzt wie fliesst der negative Impuls 
wohin etc.

Aber es geht noch schlimmer: es gibt Schaltungen mit Transistoren da 
schweben die Potentiale irgendwo zwischendrin und es passiert dies und 
das ... einfach furchtbar. Doch jemand scheint es voll zu verstehen, 
immerhin entwerfen und patentieren die das Zeug :-)

Autor: Falk B. (falk)
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Nachtrag.

>>Ich frage mich eher was mit den 17V auf der Versorgungsspannungs-Schiene
>>passiert.

>>Wandert die nach rechts zum EEPROM oder nicht ?

>Hoffentlich nicht. Auch hier sol/muss die Leitungsinduktivität und
>weitere Kapazitäten dafür sorgen, daß die Versorgungsspannung nicht zu
>sehr angehoben wird.

In einigen Schaltungen entkoppelt man die Klemmspannung der TVS-Diode 
von der normalen Versorgungsspannung durch einen Widerstand oder eine 
HF-taugliche Spule mit ein paar Dutzend uH. Oder, wenn verfügbar, man 
speist die TVS über einen passenden Vorwiderstand von einer deutlich 
höheren Spannung, z.B. 12V. Denn der Trick dieser Schaltung (TVS + 
normale Dioden) besteht darin, daß die TVS mit relativ viel Kapazität 
schon kurz unter der Klemmspannung gehalten wird, während die kleinen, 
schnellen Dioden zu den Signalleitungen im Normalbetrieb nie leitfähig 
werden und damit nie Strom vom Signal auf die TVS fließt. Damit werden 
die Signale nur sehr schwach belastet und mit kapazitätsarmen Dioden 
geht das bis in den Gbit/s Bereich wie bei HDMI, USB & Co.

Autor: Falk B. (falk)
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@ H-G Sch (haenschen)

>Ich habe auch manchmal Vorstellungs-Schwierigkeiten bei dem
>Strom-Potential-Zeugs, vor allem jetzt wie fliesst der negative Impuls
>wohin etc.

Stell es dir bildlich wie einen Wasserfall vor.

Hohe Spannung = hohe Fallhöhe (z.B. 12m = 12V)
großer Strom  = großer Wasserdurchfluß

Das Wasser kann nur vom hohen Potential zum niedrigeren fließen, immer 
in Flußrichtung von Dioden etc.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Falk B. schrieb:
> In einigen Schaltungen entkoppelt man die Klemmspannung der TVS-Diode
> von der normalen Versorgungsspannung durch einen Widerstand oder eine
> HF-taugliche Spule mit ein paar Dutzend uH

Das klingt machbar! Nur welche Spule (vom Conrad) und welcher Widerstand 
? Und nur den Pluspol der 5V-Schiene entkoppeln ? Der serielle Takt wird 
wohl im kHz-Bereich sein.



Falk B. schrieb:
> Stell es dir bildlich wie einen Wasserfall vor.
>
> Hohe Spannung = hohe Fallhöhe (z.B. 12m = 12V)
> großer Strom  = großer Wasserdurchfluß
>
> Das Wasser kann nur vom hohen Potential zum niedrigeren fließen, immer
> in Flußrichtung von Dioden etc.

Die Wasserfall-Vorstellung ist mir bekannt, aber wenn der Strom quer 
durch die Schaltung rauf- und runtergeht dann verliere ich den 
Überblick. Wir haben das damals ohne besondere Visualisierungen gelernt, 
dazu noch die falsche und echte Stromflussrichtung ...

: Bearbeitet durch User
Autor: Falk B. (falk)
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@H-G Sch (haenschen)

>Das klingt machbar! Nur welche Spule (vom Conrad) und welcher Widerstand
>? Und nur den Pluspol der 5V-Schiene entkoppeln ?

Ja. GND wird immer direkt verbunden.

> Der serielle Takt wird wohl im kHz-Bereich sein.

Dann gibt es keine nennenswerten Anforderungen an die ESD-Schutzdioden, 
die müssen hier nicht extrem kapazitätsarm sein. Es wird so ziemlich 
jede funktionieren.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Wenn ich den Pluspol am Zugang zur TVS entkoppele, ist dann die 
Versorgungsspannung noch geschützt gegen Überspannung ?

Was wenn man mit dem Finger an den Pluspol kommt und einen Funken 
draufgibt ? Wenn da die Spule zwischen Pluspol und TVS ist wie geht die 
Energie dann zur TVS in kurzer Zeit ?

Oder soll die Entkopplung rechts vor dem EEPROM am Pluspol stattfinden ?

Autor: Falk B. (falk)
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Zeichne einen Schaltplan.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Da ist sie, die Schaltung :-)

Mit "R/L 1" wäre ja die +5V-Schiene von der Klemmspannung entkoppelt 
falls die Überspannung an eine der 3 Signalleitungen kommt.

Aber was wenn die Überspannung an den +5V-Anschluss gelangt oder an GND 
?
Mit "R/L 2" wäre vielleicht dieser Fall eher abgedeckt, obwohl die 
Klemmspannung dann links an den anderen Schaltungsteil gelangen könnte 
...

Aber eigentlich möchte ich nur das EEPROM-Modul schützen, da man es ja 
irgendwo lagert etc.

Autor: Falk B. (falk)
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@ H-G Sch (haenschen)

>Mit "R/L 1" wäre ja die +5V-Schiene von der Klemmspannung entkoppelt
>falls die Überspannung an eine der 3 Signalleitungen kommt.

Genau. Das reicht auch.

>Aber was wenn die Überspannung an den +5V-Anschluss gelangt oder an GND
>?

An +5V geht das nicht, denn das Signal geht nicht auf einen Kontakt nach 
außen. Wenn der ESD-Blitz direkt in GND einschlägt, sollte bei einem 
gescheiten Layout rein gar nichts passieren.

Ach so, du hast ja ein Modul, wo auch +5V von außen kommen. Dann sollte 
man eher R/L1 weglassen und R/L2 nutzen. Ungewöhnlich, aber OK.

: Bearbeitet durch User
Autor: H-G S. (haenschen)
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Falk B. schrieb:
> Wenn der ESD-Blitz direkt in GND einschlägt, sollte bei einem
> gescheiten Layout rein gar nichts passieren.

:-) ....... sprich weiter ... wie sieht ein gescheites Layout aus ? Ich 
dachte eher an Lochrasterplatine und ein paar Drähte etc.

Autor: Zoltan (Gast)
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Warum nicht den Ferrit L1 in Serie zu +5V und danach die TVS und danach 
L2?

Autor: H-G S. (haenschen)
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Zoltan schrieb:
> Warum nicht den Ferrit L1 in Serie zu +5V und danach die TVS und danach
> L2?

Der Überspannungspuls muss direkt an die TVS gelangen. L1 im 
Zuleitungsweg der +5V (links) würde einen Überspannungspuls auf seinem 
Weg vom +5V-Stecker zur TVS-Diode behindern.

Vermutlich  :-)

: Bearbeitet durch User
Autor: Zoltan (Gast)
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+5V -- L1 -- TVS + 100n -- L2 -- Chip + 100n


Wo sollte sich der Puls denn da vorbeischleichen? ;-)


> dachte eher an Lochrasterplatine und ein paar Drähte etc.
>

Achso ja dann kann er sich doch vorbeischleichen, es sei denn die Drähte 
sind extremst kurz ;-P

Autor: Falk B. (falk)
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@ Zoltan (Gast)

>+5V -- L1 -- TVS + 100n -- L2 -- Chip + 100n

Damit kann man wenig anfangen.

>Wo sollte sich der Puls denn da vorbeischleichen? ;-)

Der schlägt über dein L1 drüber, denn das hält nicht mehrere kV aus.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Mich wundern sowieso dass die winzigen Abstände auf den Platinen mit den 
TVS-Arrays kein allgemeines Überschlagen verursachen ...scheinbar 
bevorzugt der Überspannungspuls doch irgendwie einen metallischen Weg 
und nimmt nicht die Luftstrecke zur dicht benachbarten Leiterbahn.

Autor: Falk B. (falk)
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@H-G Sch (haenschen)

>Mich wundern sowieso dass die winzigen Abstände auf den Platinen mit den
>TVS-Arrays kein allgemeines Überschlagen verursachen ...scheinbar
>bevorzugt der Überspannungspuls doch irgendwie einen metallischen Weg
>und nimmt nicht die Luftstrecke zur dicht benachbarten Leiterbahn.

Eben, denn der Spannungsbedarf für den Überschlag ist deutlich höher als 
die Klemmspannung des TVS-Arrays.

Autor: Zoltan (Gast)
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Falk B. schrieb:
>>Wo sollte sich der Puls denn da vorbeischleichen? ;-)
>
> Der schlägt über dein L1 drüber, denn das hält nicht mehrere kV aus.


Aber er kommt nicht beim Chip an, da ist ja die TVS im Pfad.
Der Ferrit dämpft den Puls ja.
Und ich glaube nicht wirklich, dass einem 5A 1206 Ferrit ein kurzer ESD 
Puls sonderlich viel ausmacht.
Das ist ja nur Kupfer innerhalb eines Ferritkerns also nicht großartig 
anders als eine Leiterbahn auf FR4...

Autor: Falk B. (falk)
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@Zoltan (Gast)

>> Der schlägt über dein L1 drüber, denn das hält nicht mehrere kV aus.

>Aber er kommt nicht beim Chip an, da ist ja die TVS im Pfad.

Ist trotzdem Murks.

>Der Ferrit dämpft den Puls ja.

Wie denn, wenn der außen um den Ferrit fließt?

>Und ich glaube nicht wirklich, dass einem 5A 1206 Ferrit ein kurzer ESD
>Puls sonderlich viel ausmacht.

Glauben heißt nicht wissen. Probiers aus.

>Das ist ja nur Kupfer innerhalb eines Ferritkerns also nicht großartig
>anders als eine Leiterbahn auf FR4...

Aber es ist eine Induktivität, welche kurzzeitig die volle Spannung 
aushalten muss.

Autor: Zoltan (Gast)
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Falk B. schrieb:
>>Der Ferrit dämpft den Puls ja.
>
> Wie denn, wenn der außen um den Ferrit fließt?


Ah so Du glaubst (oder hast es ausprobiert?) der Überschlag tritt AUSSEN 
am großen Ferrit auf?
Ansonsten muss er ja trotzdem mitten durch den Ferritkern durch - selbst 
wenns nur eine Windung ist die bleibt wirkt das trotzdem dämpfend.

Die Luftstrecke ist beim 1206 (oder größer) doch wesentlich länger als 
bei den sonstigen Bauteilen und ggf. Steckverbindern.
Ich rede ja nicht von 0402er Baugröße...


Oder skalieren wirs mal hoch:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thu...

Spätestens bei der Bauform kann sicher nix mehr überschlagen, aber vom 
Prinzip her ist ein SMD Ferrit (oder eine kleine "Ferritperle" auf einem 
Stück Draht) auch nicht groß anders.


Wie dem auch sei - mit Aufbau auf Lochraster und langen Drähten ist das 
sowieso alles theoretischer Natur ;-)

Autor: Falk B. (falk)
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@Zoltan (Gast)

>Ah so Du glaubst (oder hast es ausprobiert?) der Überschlag tritt AUSSEN
>am großen Ferrit auf?

Das glaube ich nicht nur, ich weiß es. Und ich hab es auch schon 
probiert.

>Ansonsten muss er ja trotzdem mitten durch den Ferritkern durch - selbst
>wenns nur eine Windung ist die bleibt wirkt das trotzdem dämpfend.

Der ESD-Puls muss gar nichts, er sucht sich den Weg des geringsten 
Widerstands.

>Die Luftstrecke ist beim 1206 (oder größer) doch wesentlich länger als
>bei den sonstigen Bauteilen und ggf. Steckverbindern.

Das sind vielleicht 2mm und dort hat man relativ scharfe Kupferkanten. 
Das schlägt schon statisch bei ein paar kV über, wenn keine zusätzlichen 
Maßnahmen wie Oberflächenversiegelung oder gar Vergußmasse benutzt wird.

>https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thu...

Sehr passender Vergleich zu einem 1206er Bauteil . .  .

>Spätestens bei der Bauform kann sicher nix mehr überschlagen,

Alles eine Frage der Spannung ;-)

> aber vom
>Prinzip her ist ein SMD Ferrit (oder eine kleine "Ferritperle" auf einem
>Stück Draht) auch nicht groß anders.

Sicher, aber deutlich kleiner.

>Wie dem auch sei - mit Aufbau auf Lochraster und langen Drähten ist das
>sowieso alles theoretischer Natur ;-)

Nicht zwingend. Wenn man weiß was man tut, kriegt man das auch auf 
Lochraster hin.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Sagt mal wo fliesst eigentlich so ein Überspannungspuls hin wenn das 
Modul nicht eingesteckt ist und der Funke an den Minuspol kommt ?

Zählt dann die kapazitive Ladung der gesamten Platine, sodass die Ladung 
zur am stärksten entgegengesetzt geladenen Zone fliesst ?

Würde die TVS da überhaupt etwas ausrichten? Ist es am Pluspol anders 
wenn da der Überspannungspuls reinschlägt ?

Sucht sich der Funke vielleicht einen Kondensator aus ?

Autor: Falk B. (falk)
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@H-G Sch (haenschen)

>Sagt mal wo fliesst eigentlich so ein Überspannungspuls hin wenn das
>Modul nicht eingesteckt ist und der Funke an den Minuspol kommt ?

>Zählt dann die kapazitive Ladung der gesamten Platine, sodass die Ladung
>zur am stärksten entgegengesetzt geladenen Zone fliesst ?

Ja, damit wird die parasitäre Kapazität des Moduls gegen GND vom 
ESD-Generator geladen, das sind je nach Größe ein paar pF bis nF.

>Würde die TVS da überhaupt etwas ausrichten?

Nö, denn die sieht ja keine Potentialdifferenz.

> Ist es am Pluspol anders
>wenn da der Überspannungspuls reinschlägt ?

Ein wenig, aber nicht viel.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Das klingt nicht besonders günstig ...

Aber ich nehme an dass ein komplettes Gerät sich schützen kann zB. mit 
Erdung/Metallgehäuse/Abstand etc.

Autor: Falk B. (falk)
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@H-G Sch (haenschen)

>Das klingt nicht besonders günstig ...

Wieso? Das ist doch unkritisch. Der IC sieht nur die Spannungsdifferenz 
an seinen IOs. Die Spannung des in der Luft schwebendens Moduls gegen 
GND ist dem vollkommen egal.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Falk B. schrieb:
> Wieso? Das ist doch unkritisch. Der IC sieht nur die Spannungsdifferenz
> an seinen IOs. Die Spannung des in der Luft schwebendens Moduls gegen
> GND ist dem vollkommen egal.

Aber passiert da irgendetwas Schädliches ? Oder fliesst nicht viel Strom 
weil der Kapazitäts-Ausgleichs-Impuls zu kurz ist weil nur ein paar 
pF/nF ?

Autor: Falk B. (falk)
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@H-G Sch (haenschen)

>Aber passiert da irgendetwas Schädliches ?

Da der ESD-Schutz ja vorhanden ist, nein. Denn egal ob die Ladung über 
ein Signal oder GND auf die Platine fließt, die Spannungsdifferenz die 
der IC sieht ist durch die TVS-Dioden begrenzt.

Autor: H-G S. (haenschen)
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Hmm...wie es scheint bin ich ohne exakte Veranschaulichungen nicht in 
der Lage es genau genügend zu begreifen.

Ich spiele mit dem Gedanken die EEPROM-Steckplatine ganz ohne 
Überspannungsschutz zu bauen und sie in einem ESD-Beutel zu lagern.

Gehandhabt wird sie dann mit angeschlossenem Erdungsarmband ...


Trotzdem danke ich dir für die Erklärungen!

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