Absichern 74HCT

[Ben K. (bkaiser)]

Hallo,

ich nutze einen 74HCT125 von Nexperia (Datasheet im Anhang) als 
Pegelwandler von 3,3V auf 5V. Auf der 5V Seite kann ein Motortreiber 
angeschlossen werden. Neben einem PWM Signal (<50KHz) wird noch motor 
enable signal übertragen. Ich möchte das Board irgendwann als open 
source veröffentlichen und kann deshalb nicht mit Gewissheit sagen 
welcher Motortreiber angeschlossen wird. Viele nutzen das  typische 
China BTS7960 Modul und dieses scheint nicht sonderlich Zuverlässig zu 
sein. Ich frage mich nun im Moment wie ich den 74HCT125 am besten 
absichere, da ich nicht weiß wie ein hochgegangenes BTS7960 Modul 
reagiert und welche Ströme, Störimpulse etc. in einem solchen Fall 
unerwartet meine Platine treffen können. Motoren die daran betrieben 
werden sind im Rahmen 12V-24V mit 10-30A zu erwarten.

Meine bisherige Schematic ist im Anhang (pcb_schematic.png) zu finden. 
Da der 74HCT125 bereits clamping Dioden an Board hat (max. 20ma?) habe 
ich noch einen Widerstand in Serie an jeden Ausgang gemacht. Nach meiner 
Berechnung (in der Schematic sind noch 2,2k Widerstände):

30V - 5V - 0.7V / 0,002A = 12KOhm

Zum einen: Ist diese Berechnung so richtig? Sind 25KOhm zu groß für ein 
PWM Signal mit max. 50KHz? Die Wattzahl dieser Widerstände müsste dann:

30V * 0,002A = 60mA

betragen?

Macht es Sinn in einem solchen Fall den 74HCT so abzusichern? Ist dies 
nötig? Gibt es bessere Methoden (Umfang/Nutzen)? Macht vielleicht eine 
TVS Diode hier pro Eingang Sinn? Externe clamping Dioden (z.B. BAT54S)? 
Eine Z-Diode?

Ich bin kein Profi und würde mich wirklich sehr über konstruktive 
Vorschläge freuen. :-)

Mit freundlichen Grüßen,

Ben

[Stefan F. (Gast)]

Ben K. schrieb:
> Macht es Sinn in einem solchen Fall den 74HCT so abzusichern?

Egal wie aufwendig du den Schutz gestaltest, es wird immer Leute geben, 
die den Chip trotzdem kaputt machen. Außerdem: Willst du wirklich 
möglichst wenige davon verkaufen müssen?

> Ist dies nötig?

Nein

[Falk B. (falk)]

Ben K. schrieb:
> Meine bisherige Schematic ist im Anhang (pcb_schematic.png) zu finden.

Nicht sonderlich brauchbar, denn damit hat man einen ziemlich hohen 
Ausgangswiderstand.

> Da der 74HCT125 bereits clamping Dioden an Board hat (max. 20ma?) habe
> ich noch einen Widerstand in Serie an jeden Ausgang gemacht. Nach meiner
> Berechnung (in der Schematic sind noch 2,2k Widerstände):
>
> 30V - 5V - 0.7V / 0,002A = 12KOhm
>
> Zum einen: Ist diese Berechnung so richtig?

Du hast mit 2mA gerechnet.

> Sind 25KOhm zu groß für ein
> PWM Signal mit max. 50KHz?

Ja.

 Die Wattzahl dieser Widerstände müsste dann:
>
> 30V * 0,002A = 60mA

Nö. V*A = W

> Macht es Sinn in einem solchen Fall den 74HCT so abzusichern? Ist dies
> nötig?

Meist nicht. Pack das Ding in einen Sockel und gut.

> Gibt es bessere Methoden (Umfang/Nutzen)? Macht vielleicht eine
> TVS Diode hier pro Eingang Sinn?

Jain.

> Externe clamping Dioden (z.B. BAT54S)?

Das ist das Mittel der Wahl! Je eine Diode nach GND, eine nach VCC. Aber 
an VCC muss dann ein fette Z-Diode ran, damit im Fehlerfall VCC nicht 
hochgezogen werden kann. Wenn man es besser machen will, erzeugt man 
mittels Vorwiderstand von ein paar hundert Ohm eine getrennte 
Klemmspannung, dort dann die Suppressordiode ran. Siehe Anhang.

> Eine Z-Diode?

Geht auch, hat aber Nachteile.

[Stefan F. (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Pack das Ding in einen Sockel und gut.

+1

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Ben K. schrieb:
> Sind 25KOhm zu groß für ein PWM Signal mit max. 50KHz?
Ja eindeutig, viel zu viel. Schon aus EMV-Sicht sollte die Verbindung 
zum Motortreiber hinreichen niederohmig sein (sonst funkt sich ja eher 
der Motorausgang in seinen eigenen Eingang). Alles über 1k ist zu viel. 
Und das wären im Fehlerfall bis zu fast 40mA pro Pin. Fazit: kein grüner 
Zweig in Sicht.

> Ist dies nötig?
Im Zweifelsfall ist ein 74xx genauso ein Cent-Artikel und genauso 
schnell getauscht wie 4 Widerstände. Wenn, dann würde ich den µC mit 
Serienwiderständen schützen.

> Macht es Sinn in einem solchen Fall den 74HCT so abzusichern?
Nein, weil im Fehlerfall die Widerstände durchbrennen, wenn sie 
hinreichend niederohmig sind.

[Irgend W. (Firma: egal) (irgendwer)]

Ben K. schrieb:
> um einen: Ist diese Berechnung so richtig? Sind 25KOhm zu groß für ein
> PWM Signal mit max. 50KHz?

Du rechnest nur statisch. Viel interessanter ist der dynamische Anteil, 
der durch das dauernde umladen der Kapazitäten entsteht. Rechne also mal 
aus wie lange das Umladen von Lo nach Hi und Hi nach Lo dauert und ob 
dir die Flankensteilheit dann überhaupt noch reicht.

[Ben K. (bkaiser)]

Falk B. schrieb:
>> Externe clamping Dioden (z.B. BAT54S)?
> Das ist das Mittel der Wahl! Je eine Diode nach GND, eine nach VCC. Aber
> an VCC muss dann ein fette Z-Diode ran, damit im Fehlerfall VCC nicht
> hochgezogen werden kann. Wenn man es besser machen will, erzeugt man
> mittels Vorwiderstand von ein paar hundert Ohm eine getrennte
> Klemmspannung, dort dann die Suppressordiode ran. Siehe Anhang.
Fehlt im Schaltplan im Anhang nicht noch ein Widerstand in der 
abzusichernden Leitung? Oder reicht hier der Widerstand der Leitung an 
sich? Und falls dieser fehlt, wird er wahrscheinlich direkt abrauchen, 
oder? Henne/Ei Problem? :-?

Mit freundlichen Grüßen,

Ben