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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsspitzen


Autor: Joachim Matschnigg (Gast)
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Hallo,

ich habe auf einer elektronischen Schaltung einen 74HC14
Schmitt-Trigger Inverter-IC, von dem ich mit einem Eingang über eine
steckbare Buchse nach aussen gehe. Nun hab ich das Problem, daß
jedesmal beim Anstecken meiner externen Schaltung (Ausgang eines
Frequenz-Spannungswandlers) große Spannungsspitzen (7-11,5V über 16ms
siehe Anhang: Kanal1=VCC, Kanal2=IC input) sowohl am Eingang des
Inverters als auch auf dessen Betriebsspannung (+5V) zu beobachten
sind, die unter Umständen meinen IC killen.
Kann mir jemand nen Tipp geben, wie ich den IC wirksam vor diesen
"Killerspikes" schützen kann. Meine bisherige Maßnahme: Zenerdioden
(ZPD5V1 bzw. ZPD4V7) an den Eingängen bzw. am VCC des IC. Reichen die
von der Verlustleistung aus? Andere Vorschläge?

Vielen Dank vorab und Grüße,

Joachim.

Autor: Michael Wilhelm (Gast)
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Kannst du das mal als PDF oder ähnlich gängiges posten?

MW

Autor: Joachim Matschnigg (Gast)
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Klar, kann ich.

Autor: Peter (Gast)
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Hi,

alternativ könntest du noch einen schnellen (Tantal oder Keramik)
Blockkondensator steckernah zwischen GND und VCC platzieren (wenn nicht
schon vorhanden) und zusätzlich je eine Schottkydiode von Signal nach
VCC und von GND nach Signal. Z.B. BAT42.

Ciao,
Peter

Autor: Tipp (Gast)
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Tantal-Elkod sind nicht zum Abblocken der Versorgungsspannung geeignet,
sie vertragen keine hohen Stromspitzen.

Gruß
Carsten

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Mit den Z-Dioden wird es wohl reichen. Hab ich hier auch so
gemacht.Kondensatoren sind keine gute
Idee, weil er draußen einen F/U Wandler dran hat. Die Kondensatoren
würden dann sicher als Integrierglieder fungieren.

Autor: Dietmar (Gast)
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@Joachim:

Es sind schon einige Vorschläge gemacht worden, aber ich möchte, da
auch das Oszillogramm gesehen, das ganze noch mal näher betrachten:

Ich nehme mal an, daß die Masse des Oszis direkt am GND des 74HC14
liegt.

Klar zu sehen ist: Der Killerspike überträgt sich vom Eingang über das
Substrat, welches auch als Schutzdiodennetzwerk funktioniert, auf die
VCC-Leitung. Bitte im Datenblatt die maximalen Input-Ströme beachten.
Die liegen bei den Logikbausteinen in der Größenordnung 10mA. Ein
Schutzdiodennetzwerk als solches gibt es eigentlich nicht, aber die
Schichtfolge im Halbleiter wirkt meistens als solches.

Aus dem Oszillogramm:
IC Input Überspannung: 11,4V - 5V = 6,4V
VCC Überspannung: 9,84V - 5V = 4,84V
Für die integrierte Schutzdiode bleiben: 11,4V - 9,84V = 1,56V
Das ist durchaus realistisch.

Im schlimmsten Fall riskierst du mit solch einem Spike ein "Latch
Up", wenn die erlaubten maximalen Input-Ströme überschritten werden:
Die interne Schichtenfolge (PNPN) im Logikbaustein ähnelt der eines
(unbeabsichtigten) Thyristors, wobei VCC die Anode, GND die Katode, und
der Input-Pin das Gate bildet und ein Spike diesen zünden kann. Danach
ist der Baustein im Eimer (verbrannt) oder bestenfalls die
Netzsicherung ausgelöst, da er die Versorgungsspannung dauerhaft (bis
zur Unterbrechung) kurzschließt.

Kann es sein, daß das Netzteil nicht allzu "kräftig" ist, und darum
der Spike auch die VCC mit anhebt? Da riskierst du noch mehr, z.B.
Rückwärtsspannungen am Spannungsregler, etc.. Ein größerer Elko und ein
kleiner Folienkondensator 100nF (oder Keramik) parallel am Ausgang des
Spannungsreglers könnten helfen.

Welcher Schutz für deine Schaltung in Frage kommt, hängt letztlich von
den Anforderungen deiner Schaltung (z.B. Schaltgeschwindigkeit, höhere
Frequenzen) ab. Was kann denn der VF-Wandler?

Im einfachsten Falle (preisgünstig!) kann ein einziger Vorwiderstand in
der Input-Leitung schon genügen. Der mindert die Stromspitze zusammen
mit den parasitären Kapazitäten der Schaltung.

Z-Dioden sind reaktionsträge und filtern keine Spikes im
Nanosekundenbereich, evtl. aber in Verbindung mit einem zusätzlichen
RC- oder LR-Glied.

Gängig ist die Schaltung mit 2 Universaldioden z.B. 1N4148 mit
Schaltzeiten um 4ns an der Input-Leitung, wobei eine Überspannungen
nach VCC und die andere Unterspannungen nach GND ableitet. Die ist
jedoch nur geeignet, wenn das Netzteil niederohmig genug ist.

Wenn es sich nicht gerade um eine einfache Hobbyschaltung handelt, kann
man auch mal eine bidirektionale "Transildiode" (z.B. 5,1V) parallel
zum Eingang spendieren, die sehr reaktionsschnell ist und speziell
solchen Zwecken wie ESD-Schutz und hohen Spannungsspitzen dient.

Gruß

Dietmar

Autor: Monster (Gast)
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Könntest Du mal bitte den Schaltplan posten? Kann es sein dass Eingänge
oder Ausgänge komische Sachen machen?

Moni

Autor: A.K. (Gast)
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"bidirektionale Transildiode"

Eine unidirektionale scheint mir da sinnvoller. Eine bidirektionale
begrenzt negative Spikes auf -6,8V (5,1V ist m.E. etwas eng), eine
unidirektionale auf unter -1V. Vgl. Z-Diode.

Die Transil allein macht aber schon aufgrund der Spannungswerte nicht
glücklich, sorgt nur dafür, dass Spitzen hoher Leistung niemanden
erschlagen. Allenfalls noch dafür, dass dank der parasitären Kapazität
erst garkeine mehr auftreten ;-).

L/R/C/Dioden-Varianten sind für Spitzen kleiner Leistung sinnvoller.

Autor: Wolfram (Gast)
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>Im einfachsten Falle (preisgünstig!) kann ein einziger Vorwiderstand
in
>der Input-Leitung schon genügen. Der mindert die Stromspitze zusammen
>mit den parasitären Kapazitäten der Schaltung.

Das ist die günstigste Lösung. Einen Eingangspin am IC kannst du mit
ca. 10pF annehmen. Du baust dadurch einen Tiefpass mit dem Widerstand
in der Leitung. Die Grenzfrequenz hängt davon ab, wie rund die Ecken
deines Signals werden dürfen. Allerdings wenn es sowieso auf einen
Schmitttriger geht können sie schon ganz schön abgerundet sein.

Autor: Dietmar (Gast)
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"bidirektionale Transildiode"

sorry, natürlich unidirektional, ebenso wie bei einer Z-Diode als
Schutz.

Im Übrigen wäre ein Schaltplan wirklich nicht das allerschlechteste:
Oszillogramm mit Time Division 40ms, in dieser Größenordnung liegt auch
der abklingende Impuls. Das sieht natürlich nicht nach Spike aus,
sondern nach irgend einer Art von vorgespannten Kondensatoren
(Entkopplungskondensator) oder Stromschleifen zwischen oder in den
beiden Schaltungsteilen.

Aber die Gefahr bleibt die gleiche.

Gruß

Dietmar

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (Gast)
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Die Transil oder Transzorb haben 2nF Kapazität, sind für schnelle
TTL-Eingänge völlig ungegeinet. Es gibt Spezialtypen mit 5 oder 50 pF

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