Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Hochspannung beschädigt Elektronik. Schutzmöglichkeiten?


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von Dom S. (unterfeld)


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Guten Tag,

folgendes Problem tritt bei uns auf, nachdem man gut 20 Jahre alte 
Elektronik (Durchsteckmontage) eines Messgerätes vor Kurzem relativ 
runderneuert und verkleinert hat (smd) hat:
Das Gerät muss zum Starten einer Gaslampe eine schnelle Feldänderung 
durch eine Hochspannung (Wert leider unbekannt) erzeugen. Dabei springen 
Funken auf Bauteile über, welche mit dem Gehäuse geerdet sind, welche 
auch mit der Masse der kompletten Messelektronik verbunden ist. Das hat 
der alten Elektronik nie Probleme bereitet.

Jetzt geht aber beim Zünden der Lampe, von rund 30 ICs auf verschieden 
Platinen, immer genau ein Bauteil beim Zünden ab und zu kaputt, welches 
aber auch nichts mit der allgemeinen Zündvorgang zu tun hat.
Und zwar ein Analog/Digitalwandler AD8344N (siehe Anhang) der die 
späteren Analogsignale (CH) der Messung umwandeln soll.

Da wir nicht wirklich genau wissen, ob jetzt durch die Hochspannung, die 
Analogsignale (CH), die 5V Eingangsspannung, oder die Masse so 
fehlerhaft ist, dass das Bauteil zerstört wird, würden wir gerne für 
alle Möglichkeiten einen Schutz einbauen.

Grundsätzlich habe ich mir mal folgende Ideen gemacht:

-Zur Sicherung der 5V Leitung: Dort ist zwar ein Kondensator, aber wie 
ich mal bei der Recherche (auch hier im Forum) rausgefunden habe, sollte 
man dort über die Masse Varistoren oder noch besser TVS-Dioden für so 
kurze hohe Spannungsspitzen einbauen.
-Zur Sicherung der Analogeingänge: Dort sind 8 Zehnerdioden eingebaut. 
Dort sollte man aber auch eher TVS-Dioden für so kurze hohe 
Spannungsspitzen nehmen, wenn ich das richtig verstanden habe.
-Zur Masse fiel mir nicht wirklich was ein, außer eine dicke Leitung, in 
der Nähe des AD8344N Massepins, direkt zum Netzanschluss.

Hoffe, das Problem ist soweit verständlich? Würde mich über Feedback zu 
meinen angesprochenen Möglichkeiten freuen und auch gerne andere 
Vorschlage oder sonstige Anregungen hören, wenn ich auf den Holzweg bin.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Überprüfe die Masseführung. Alle Leitungen sollen Sternförmig auf einen 
gut geerdeten Punkt zusammen laufen. Hohe Lastströme dürfen nicht durch 
die selben Leitungen laufen, wie die Stromversorgung der ICs. mache 
nicht den Fehler, ein Blech als "Punkt" zu betrachten. Auch Bleche haben 
einen gewissen Innenwiderstand, so das unter Last nicht überall GND 
gleich GND ist.

von ma (Gast)


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Bei soetwas ist auch das Layout entscheidend.

Die Dioden klemmen erst, wenn die Spannung über den max. Ratings des ADC 
ist.
Bei sowas ist es oft sinnvoll, mit (Schottky-)Dioden nach GND und VCC 
abzuleiten, sofern da genug Kapazität zum "Schlucken" der Energie ist.

von Falk B. (falk)


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Dom S. schrieb:
> folgendes Problem tritt bei uns auf, nachdem man gut 20 Jahre alte
> Elektronik (Durchsteckmontage) eines Messgerätes vor Kurzem relativ
> runderneuert und verkleinert hat (smd) hat:

Hehe, never Change a running System.

> Jetzt geht aber beim Zünden der Lampe, von rund 30 ICs auf verschieden
> Platinen, immer genau ein Bauteil beim Zünden ab und zu kaputt, welches
> aber auch nichts mit der allgemeinen Zündvorgang zu tun hat.

Was nicht verwunderlich ist, wenn da unkontrolliert Funken überspringen. 
Die müssen gar nicht in die Anschlüsse des betreffenden ICs einschlagen, 
da reicht induktive oder kapazitive Kopplung.

> Grundsätzlich habe ich mir mal folgende Ideen gemacht:
>
> -Zur Sicherung der 5V Leitung: Dort ist zwar ein Kondensator, aber wie
> ich mal bei der Recherche (auch hier im Forum) rausgefunden habe, sollte
> man dort über die Masse Varistoren oder noch besser TVS-Dioden für so
> kurze hohe Spannungsspitzen einbauen.

Naja, kommt drauf an. An Versorgungsleitungen kann man erstmal 
ordentlich Kapazität anbringen, einige Dutzend uF. Reicht das nicht, 
dann eine TVS. Varistoren sind hier eher sinnlos, bei den kleinen 
Spannungen und den Bananenkennlinien nützen die hier nix.

> -Zur Sicherung der Analogeingänge: Dort sind 8 Zehnerdioden eingebaut.
> Dort sollte man aber auch eher TVS-Dioden für so kurze hohe
> Spannungsspitzen nehmen, wenn ich das richtig verstanden habe.

Das ist auf jeden Fall sinnvoll, wobei ich keine Z-Dioden direkt nutzen 
würde, vor allem nicht bei kleinen Spannungen. Nimm eine Mischung aus 
Dioden und Z-Dioden. Sowas wie USBLC6-2, gibt es auch in verschiedenster 
Ausführung. Die schützen besser bei DEUTLICH weniger Leckstrom (Störung 
des Eingangssignals)

> -Zur Masse fiel mir nicht wirklich was ein, außer eine dicke Leitung, in
> der Nähe des AD8344N Massepins, direkt zum Netzanschluss.

Eine dicke Leitung bringt nur was bei Gleichstrom. Bei HF braucht es 
eher breite, niederinduktive Flächen. Ob das hier wirklich was bringt, 
ist eher zweifelhaft. Da muss man genauer messen und analysieren.

Ganz allgemein würde ich erstmal versuchen, die unkontrollierten 
Entladungen abzustellen!

P S Dein Schaltplan ist grausam!

Schaltplan richtig zeichnen

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Entweder die Zündspannung begrenzen, so daß die sich bei z.B. fehlender 
Lampe nicht andere Wege sucht oder ein Fanggitter für die Entladungen 
aufbauen, so daß die empfindliche Elektronik nicht getroffen wird.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Falk B. schrieb:
> Was nicht verwunderlich ist, wenn da unkontrolliert Funken
> überspringen. Die müssen gar nicht in die Anschlüsse des
> betreffenden ICs einschlagen, da reicht induktive oder
> kapazitive Kopplung.

Kann man schön beim Raspberry Pi sehen, wenn man in unmittelbarer Nähe 
ein Piezo-Feuerzeug zündet. Die Stärke der elektromagnetischen Felder, 
die von solchen Lichtbögen ausgeht, sollte man nicht unterschätzen.

von oszi40 (Gast)


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Dom S. schrieb:
> Dabei springen
> Funken auf Bauteile über, welche mit dem Gehäuse geerdet sind, welche
> auch mit der Masse der kompletten Messelektronik verbunden ist. Das hat
> der alten Elektronik nie Probleme bereitet.

Falscher Aufbau. Abstände, Masse, Stütz-Cs usw.
https://www.mikrocontroller.net/articles/EMV

von Dom S. (unterfeld)


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Guten Tag,

erst mal vielen Dank für die vielen Tipps.

Zum aktuellen Stand

Da wir kurzfristig eine Lösung brauchen, können wir das Platinenlayout 
eher schlecht verändern, da Platinen auf Lager bestellt wurden. (Wird 
aber sicher in der nächsten Version Dank der Links hier im Forum 
angepasst). Am Grundaufbau des Gerätes ist auch nicht viel zu machen. 
Und die Funken sind ja nicht unkontrolliert, sondern Sie müssen neben 
der Lampe einschlagen, damit diese zündet.

Wir haben jetzt aber mal mit dem Oszi gemessen. (siehe Anhang)

-Die Masse schwankt grundsätzlich beim Zünden auf allen Platinen.

-Die 24V mit, denen die 5V für den AD8344N erzeugt werden, sind beim 
zünden  trotz der Masseschwankung stabil.

-Die 5V schwanken relativ ähnlich im Vergleich zu der Masse. Es wurden 
auch parallel zum C26, je ein 22µF und 1nF gelötet, was nichts verändert 
hat. Zu wenig, falsche Werte oder doch nicht die Lösung?

(-Die Analogeinhänge (CH) schwanken auch beim Zünden, aber die Spitzen 
sind noch nicht bei der Maximaleingansspannung. Daher würde ich diesen 
Punkt erst mal ausschließen.)

(-Wir haben auch das Zünderkabel mal komplett in ein massives 
Metallgehäuse (Außerhalb unseres Messgerätes) gelegt und gezündet. Die 
Schwankung trat dabei auch weiterhin auf, daher würde ich 
Entladung/Felder auch ausschließen)

Da das Problem der Masse überall auftritt (aber nur den einen IC 
beeinflusst) und der Umbau der Zünderelektrik zeitaufwendiger ist, 
hätten wir jetzt gesagt, dass man versucht, die Spannungsspitzen bei den 
5V zumindest mal raus zu kriegen. „Leider“ ist der AD8344N gestern und 
heute trotz sehr vielen Zündvorgängen nicht kaputtgegangen.
Alle Geräte unterscheiden sich auch in Detail etwas, daher kann es hier 
sein, dass bei einer Schwankung der Versorgungsspannung (5V) von ca. 
+-1V (siehe Bild) der AD8344N nicht kaputtgeht.

Jetzt ist die Frage, wie ich am besten die 5V auf maximale Spitzen von 
ca. 5,4V (kann der AD8344N noch mit umgehen) begrenzen kann.
Habe auch folgende TVS Diode schon ausprobiert, aber die Spitzen sind 
trotzdem bis auf 6V hoch.
https://de.farnell.com/on-semiconductor/esd9l5-0st5g/tvs-diode/dp/1651639?ost=1651639

Habe Sie mit der „gesperrten Seite“ auf die 5V und mit der anderen Seite 
auf GND, kurz vor dem AD8344N gelötet. Ist das soweit richtig?

Was muss ich bei TVS Dioden beachten bzw. habe ich was falsch ausgelegt? 
Die Spitzen (siehe Anhang) sind ein paar ns lang. Ist die dafür 
ausgelegt bzw. kann sie so schnell durchschalten? Laut Datenblatt 
eigentlich ja.

Dann kommt ja noch hinzu, dass die Durchbruchsspannung zwar 5,4V ist 
aber erst ab 9,8V der volle Strom fließt. Ist sie dann bei unter 6V 
einfach noch zu wenig offen, sodass es sich nicht bemerkbar macht?

Sollte man eine Diode mit einer Durchbruchspannung unter 5V nehmen? 
(Wenn ja welche?) Dann fließt zwar immer zusätzlich zum AD8344N Strom, 
aber das sollte die 5V Quelle nicht beeinflussen.

Also wie sollte ich am besten bei den 5V spitzen vorgehen?

Schon mal vielen Dank.

von Klaus R. (klaus2)


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Dom S. schrieb:
> Dabei springen Funken auf Bauteile über, welche mit dem Gehäuse geerdet
> sind, welche auch mit der Masse der kompletten Messelektronik verbunden
> ist.

Halte nur ich das für einen Designfehler?

Klaus.

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


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Vielleicht solltest Du eine Skizze des raeumlichen Aufbaus zeichnen und 
hier posten.

von ths (Gast)


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Über leitungsgebundene Störung wurde ja geschrieben.

Bei Luftentladung kann man drüber nachdenken, die Platine ein paar mm 
dick zu beschichten. Geeignet sind additionspolymerisierende Silikone 
wie RTV3140. Verguss geht ggf. auch, etwa mit RT602 a+b.

RTV3140 pappt unglaublich, Reparatur nahezu unmöglich. RT602 kann man 
wegbröseln, ist aber bei der Verarbeitung fast so flüssig wie Wasser.

von Falk B. (falk)


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Dom S. schrieb:

> Wir haben jetzt aber mal mit dem Oszi gemessen. (siehe Anhang)

Jaja. Bei solchen Vorgängen was SINNVOLLES zu messen ist SEHR schwierig. 
Da kommt es auf den Meßaufbau an! Denn sonst mißt man nur eingekoppelte 
Störungen!

https://www.mikrocontroller.net/articles/Oszilloskop#Tastk.C3.B6pfe_richtig_benutzen

>
> -Die Masse schwankt grundsätzlich beim Zünden auf allen Platinen.

Ohne GENAUE Kenntnis deines Meßaufbaus sind diese Screenshots wertlos.

> -Die 24V mit, denen die 5V für den AD8344N erzeugt werden, sind beim
> zünden  trotz der Masseschwankung stabil.
>
> -Die 5V schwanken relativ ähnlich im Vergleich zu der Masse. Es wurden
> auch parallel zum C26, je ein 22µF und 1nF gelötet, was nichts verändert
> hat. Zu wenig, falsche Werte oder doch nicht die Lösung?

1nF ist zu wenig. Warum so sparsam? 100nF sind OK, die gibt es in 
kleinen SMD-Gehäusen. Die 22uF klingen erstmal OK. Bleibt die Frage, WO 
sie genau im Layout platziert wurden.

> (-Die Analogeinhänge (CH) schwanken auch beim Zünden, aber die Spitzen
> sind noch nicht bei der Maximaleingansspannung. Daher würde ich diesen
> Punkt erst mal ausschließen.)

Ich nicht.

> (-Wir haben auch das Zünderkabel mal komplett in ein massives
> Metallgehäuse (Außerhalb unseres Messgerätes) gelegt und gezündet. Die
> Schwankung trat dabei auch weiterhin auf, daher würde ich
> Entladung/Felder auch ausschließen)

Nö, so schnell geht das nicht. Da muss man GENAU schauen, wo die bösen 
Pulsströme WIRKLICH fließen und wie die koppeln könnten.

> Da das Problem der Masse überall auftritt (aber nur den einen IC
> beeinflusst) und der Umbau der Zünderelektrik zeitaufwendiger ist,
> hätten wir jetzt gesagt, dass man versucht, die Spannungsspitzen bei den
> 5V zumindest mal raus zu kriegen. „Leider“ ist der AD8344N gestern und
> heute trotz sehr vielen Zündvorgängen nicht kaputtgegangen.

War der mechanische Ausbau und die Kabelführung wie im Seriengerät?

> Jetzt ist die Frage, wie ich am besten die 5V auf maximale Spitzen von
> ca. 5,4V (kann der AD8344N noch mit umgehen) begrenzen kann.
> Habe auch folgende TVS Diode schon ausprobiert, aber die Spitzen sind
> trotzdem bis auf 6V hoch.
> 
https://de.farnell.com/on-semiconductor/esd9l5-0st5g/tvs-diode/dp/1651639?ost=1651639

Willst du dir den Stress mit dem Feinstaub wirklich antun? Warum so ein 
Minigehäuse?

> Habe Sie mit der „gesperrten Seite“ auf die 5V und mit der anderen Seite
> auf GND, kurz vor dem AD8344N gelötet. Ist das soweit richtig?

Ja.

> Was muss ich bei TVS Dioden beachten bzw. habe ich was falsch ausgelegt?
> Die Spitzen (siehe Anhang) sind ein paar ns lang. Ist die dafür
> ausgelegt bzw. kann sie so schnell durchschalten? Laut Datenblatt
> eigentlich ja.

Ja.

> Dann kommt ja noch hinzu, dass die Durchbruchsspannung zwar 5,4V ist
> aber erst ab 9,8V der volle Strom fließt.

Anders herum. Beim vollen Strom fallen 9,8V ab.

> Ist sie dann bei unter 6V
> einfach noch zu wenig offen, sodass es sich nicht bemerkbar macht?

Ja. Bei 5V hat die maximal 1uA Leckstrom.

> Sollte man eine Diode mit einer Durchbruchspannung unter 5V nehmen?

Nein.

> (Wenn ja welche?) Dann fließt zwar immer zusätzlich zum AD8344N Strom,
> aber das sollte die 5V Quelle nicht beeinflussen.

Zum Schutz einer 5V Versorgung braucht man nicht so eine ultra 
niederkapazitive ESD-Diode, denn an der Versorgung klemmen schon 
hunderte nF. Hier kann man fast jede beliebige, auch hochkapazitive 
Diode nehmen. Deine Diode ist für sehr schnelle Datenleitungen gedacht, 
da reden wird von 100Mbit/s und mehr! Dein ADC-Eingang ist garantiert 
nicht so schnell. Dort könnte sie trotzdem ihren Dienst tun.

> Also wie sollte ich am besten bei den 5V spitzen vorgehen?

Erstmal gescheit kommunizieren. Der Satz offenbahrt maximale 
Planlosigkeit.
Die wichtigen Fragen wären.

Wie kann ich die 5V Versorgung meines ADC schützen?
Wie kann ich die Signaleingänge meines ADC schützen?

Beide Fragen wurden schon von mir beantwortet.

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