VFD Heizung vor Durchbrennen schützen

[Alexander H. (alexander_h732)]

Hallo,

ich habe eine Frage zur Spannungsversorgung von VFDs mit dem 
LM9022(Ladungspumpe + AC-Heizung).
Es kann ja im Fehlerfall passieren, dass eine höhere Spannung 
anliegt(Kabel löst sich, defekte Vorwiderstände/Brücke durch Lötzinn 
usw.)…

In dem Fall würde die volle Anodenspannung an der Heizung anliegen. Um 
ein Durchbrennen zu verhindern, wollte ich eine Sicherung (zB. 20mA 
flink, für ein winziges VFD) an der Heizung einsetzen.

Wo genau müsste ich die Sicherung platzieren,
dass sowohl. eine überhöhte Ausgangsspannung vom LM9022, als auch ein 
„Durchschlagen“ der Anodenspannung  (über die Widerstände R81/84) die 
Sicherung auslöst?
Ich vermute, einseitig, nach den Koppelkondensatoren und nach R81/84, 
also direkt an der Heizung reicht aus, oder hab ich noch etwas 
übersehen?
Ich bin mir nicht sicher ob ich damit alle Fehlermöglichkeiten abgedeckt 
hätte.
Vielleicht kann hier jemand nochmal drüber schauen.

Viele Grüße und Danke schon mal für Eure Hilfe.
Alexander

[Michael B. (laberkopp)]

Alexander H. schrieb:
> In dem Fall würde die volle Anodenspannung an der Heizung anliegen

Sicher nicht, die Ladungspumpe schafft den Strom einfach nicht.

Alexander H. schrieb:
> Sicherung (zB. 20mA flink, für ein winziges VFD)

Der Heizdraht wird mehr als 20mA schon im Normalbetrieb brauchen.

Bau die Schaltung einfach ordentlich und nichts passiert..Millionen 
anderer Produkte mit VFD bauen darauf.

[Alexander H. (alexander_h732)]

Michael B. schrieb:
> Alexander H. schrieb:
>> In dem Fall würde die volle Anodenspannung an der Heizung anliegen
>
> Sicher nicht, die Ladungspumpe schafft den Strom einfach nicht.
> Alexander H. schrieb:
>> Sicherung (zB. 20mA flink, für ein winziges VFD)
>
> Der Heizdraht wird mehr als 20mA schon im Normalbetrieb brauchen.
> Bau die Schaltung einfach ordentlich und nichts passiert..Millionen
> anderer Produkte mit VFD bauen darauf.

Leider hatte ich beim Testen genau den Fall (Messspitze abgerutscht) und 
das VFD mutierte zur Glühbirne, hat es aber überlebt. Mein Mini VFD 
(70er Jahre Taschenrechner) benötigt nur 20mA, daher wäre der Schutz 
sinnvoll.

[Marek N. (db1bmn)]

Mit TVS-Diode klemmen?

[Peter D. (peda)]

Alexander H. schrieb:
> Es kann ja im Fehlerfall passieren, dass eine höhere Spannung
> anliegt

Nein.
Der LM9022 ist nur ein Gegentakttreiber ohne jede Regelung.
Wenn Deine 5V nicht hochlaufen, kann auch am VFD nichts hochlaufen.
Und die -29V hinter der Kaskade sind so hochohmig, die brechen sofort 
zusammen, wenn Du sie versehentlich an den Heizfaden legst.

[Alexander H. (alexander_h732)]

„ Und die -29V hinter der Kaskade sind so hochohmig, die brechen sofort 
zusammen, wenn Du sie versehentlich an den Heizfaden legst.“

Wie gesagt, leider reichten die -29v für 2-3 Sekunden helles Aufglühen 
aus, dann konnte ich reagieren.

Wäre die 20mA Sicherung wie von mir beschrieben so richtig angeordnet?

[H. H. (hhinz)]

Alexander H. schrieb:
> 20mA
> flink

Hat gleich mal 20 Ohm Kaltwiderstand...

[Peter D. (peda)]

Alexander H. schrieb:
> Wie gesagt, leider reichten die -29v für 2-3 Sekunden helles Aufglühen
> aus,

Was hast Du denn dabei kurzgeschlossen?
Wenn man C23 kurzschließt, könnten die 29V über DZ1 und R84 ins andere 
Ende der Heizung fließen.
Man könnte vielleicht R81, R84 erhöhen, um den Strom zu begrenzen, z.B. 
auf 1kΩ. Oder die Frequenz verringern, bzw. die Kondensatoren C25..C32.

Ich kenne bisher keine Schaltung, wo jemand einen Schutz gegen darin 
rumfummeln eingebaut hat. Da gibt es einfach zu viele Möglichkeiten, 
Schaden anzurichten. Man muß eben bei der Reparatur vorsichtig arbeiten.

[Karl B. (gustav)]

Zeichne doch bitte noch ein, wo und wie die Heizfäden tatsächlich 
liegen.
Das Schaltbild im Post 1 zeigt doch nur die Hälfte.
Nehme an, bei rechts zweimal AC ist die Trafowicklung gemeint. Hier wird 
dann mit den Widerständen R81/R84 symmetrisiert, so dass sich der 
Anodenstrom auf beide Heinzfädenenden und die Trafowicklung verteilt.
Anders wäre das, wenn nicht symmetrisiert würde.
Die DZ1 hebt nur das Potenzial an. Ist für die Logikbausteine (die hier 
nicht gezeigt werden) und Ansteuerung der VFD vielleicht wichtig.
Hatte letztens noch Trafos selber gewickelt für VFDs mit 1,2 und 2,4 V 
Heizspannung. und dabei einmal 2,4 V draufgegeben. Werden zwar 
rotglühend, daran merkt man, dass etwa falsch ist. Kaputtgegangen sind 
die aber nicht.
Und die Anodenspannung war zu niedrig. Habe dann die ZD 8,1 durch eine 
ZD 3,9 ersetzt, und siehe da, die Helligkeit ist wieder da.
Und so ist es wohl auch mit Deiner DZ1 mit den 6,2 V, da kannst Du ja 
eine
Microfuse reinsetzen (in Reihe schalten) oder was PTC-Mäßiges.

Auf die Anodenspannungsseite kam bei meiner Uhr eine 80 mA 
Mikrosicherung.

ciao
gustav

[Christoph Z. (rayelec)]

Kleiner Tipp zum Thema: den LM9022 gibt es schon lange nicht mehr - es 
gibt aber den LM4871. Gleicher Chip, zwei verschiedene Bezeichnungen!

[Alexander H. (alexander_h732)]

„ Nehme an, bei rechts zweimal AC ist die Trafowicklung gemeint.“

An AC1/2 (AC Ausgang sozusagen) hängt direkt der Heizdraht.

In meinem Fall benötige ich um die 8 Ohm Vorwiderstand (x2), daher passt 
vielleicht eine SMD Sicherung doch ganz gut. Die könnte evtl. 
gleichzeitig als Vorwiderstand dienen.

Macht es eigentlich technisch einen Unterschied, ob ich die 
Vorwiderstände vor oder nach den Koppelkondensatoren schalte, bzw. gibt 
es einen Grund für die Reihenfolge?

[Rainer W. (rawi)]

Alexander H. schrieb:
> Macht es eigentlich technisch einen Unterschied, ob ich die
> Vorwiderstände vor oder nach den Koppelkondensatoren schalte, bzw. gibt
> es einen Grund für die Reihenfolge?

Wozu gibt es in dem Schaltplan eigentlich Bauteilbezeichnungen?
Der Unterschied zeigt sich, wenn du beim Rumfummeln in der Schaltung 
irgendwelche Kurzschlüsse machst. Da gibt es vielfältige Möglichkeiten. 
Im normalen Betrieb ist in der Serienschaltung die Reihenfolge egal.

[Alexander H. (alexander_h732)]

Bin immernoch nicht wirklich fündig geworden. Es gibt zwar 20mA SMD 
Sicherungen, aber die lösen meist erst bei 60mA aus.
Eine 10mA Sicherung würde bei 30mA sicher auslösen.
Inwieweit kann man eigentlich PTC Sicherungen knapp überhalb von I_hold 
betreiben, oder geht das überhaupt nicht?

Wäre das hier (20mA PWM LED Konstantstromtreiber) 
https://www.onsemi.com/download/data-sheet/pdf/nsi45020-d.pdf
nicht auch eine interessante Möglichkeit um den Strom zu beschränken?

…Mist, PWM ist natürlich kein AC, sorry. In der Beschreibung steht „for 
Basic AC applications“.

[Flip B. (frickelfreak)]

Marek N. schrieb:
> Mit TVS-Diode klemmen?

!!

Den Strom begrenzt deine Heizung bei begrenzter Spannung schon selbst. 
Solch kleine Schmelzsicherungswerte sind rar und ungenau, 
verlustbehaftet und temperaturabhängig.

In der Regel kann eine Sicherung gut die Quelle schützen, mit 
Schutzdioden/ TVS  VDR  Crowbars lässt sich die Last vor Überspannung 
schützen. Meist wird beides kombiniert.

[Karl B. (gustav)]

Flip B. schrieb:
> Den Strom begrenzt deine Heizung bei begrenzter Spannung schon selbst.

Der Anodenstrom fließt auch über die Heizfäden. Die VFDs sind nicht 
indirekt geheizt, wie die gängigen Radioröhren. Die Heizfadenseite glüht 
stärker, an die die Rückführung der Anodenspnnung (Minuspol) 
angeschlossen wird. Deswegen schon Symmetrisierung mit der 
Mittelanzapfung an Trafo. Und die Z-Diode da wirkt auch.
Im Heizkreis sind noch Widerstände und eine 80 mA Kleinstsicherung bei 
mir.
Das reicht.

ciao
gustav

[Alexander H. (alexander_h732)]

„Marek N. schrieb:
Mit TVS-Diode klemmen“

Ok, das wurde jetzt mehrfach empfohlen.👍
Wie würde denn diese Lösung konkret aussehen?

Und würden evtl. zwei von denen
https://www.onsemi.com/download/data-sheet/pdf/nsi45020-d.pdf
antiseriell verschaltet funktionieren?
Heizspannung ist ein 30kHz Rechteck.

[Alexander H. (alexander_h732)]

So wie ich das verstanden habe, müsste die TVS-Diode (bidirektionaler 
Typ, da AC) parallel zum Heizdraht eingebaut werden. Die Spannung der 
TVS-Diode muss knapp oberhalb der Heizspannung liegen, ist das so 
richtig?

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Karl B. schrieb:
> Die Heizfadenseite glüht
> stärker, an die die Rückführung der Anodenspnnung (Minuspol)
> angeschlossen wird.

Deswegen macht das (fast) keiner so.

> Deswegen schon Symmetrisierung mit der Mittelanzapfung an Trafo.

Eben. So macht man das.

> Und die Z-Diode da wirkt auch.

Die Z-Diode hat nichts mit dem Heizstrom zu tun.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Alexander H. schrieb:
> „Marek N. schrieb:
> Mit TVS-Diode klemmen“
>
> Ok, das wurde jetzt mehrfach empfohlen.👍
> Wie würde denn diese Lösung konkret aussehen?

Eine bidirektionale TVS geeigneter Spannung parallel zum Heizdraht 
schalten. Alternativ zwei antiserielle Z-Dioden. Allerdings gibt es 
weder TVS noch Z-Dioden eng genug abgestuft für so kleine Spannungen. 
Deswegen eher eine handvoll Si-Dioden in Reihe und nochmal soviele 
antiparallel dazu. Aber am einfachsten ist immer noch, beim Basteln die 
Augen auf und die Hände ruhig zu halten.

Oder sich halt ein anderes Hobby zu suchen, wenn es mit der Feinmotorik 
partout nicht mehr klappen will.

[Karl B. (gustav)]

Axel S. schrieb:
> Die Z-Diode hat nichts mit dem Heizstrom zu tun.

Da fließt der Anodenstrom drüber.
Wie ich oben schon sagte, fließt nicht nur der reine Strom zum Heizen 
über die Filamente, sondern auch anteilig Anodenstrom. Und den kann man 
mit der Z-Diode und einem Poti gut einstellen. (Helligkeitseinstellung).
Hab ich selber ausprobiert:
Da Ersatz-Trafo nicht die geforderte Anodenspannung lieferte, habe ich 
durch Austausch der Z-Diode in der Symmetrierung gegen eine solche mit 
niedrigerer Spannung die ursprüngliche Helligkeit herstellen können.
Und der Strom fließt sehr wohl über die Heizfäden "zurück". Den Strom 
sollte man zumindest noch im Hinterkopf behalten.

ciao
gustav

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Karl B. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Die Z-Diode hat nichts mit dem Heizstrom zu tun.
>
> Da fließt der Anodenstrom drüber.

Na klar fließt der da drüber. Sie liegt ja in der Verbindung zum 
negativen Pol der Anodenspannung. Aber mit dem Heizstrom hat das 
trotzdem nichts zutun. Weil:

1. ist der Anodenstrom typisch Faktor 100 kleiner als der Heizstrom.
2. wird üblicherweise mit Wechselstrom geheizt. Der Anodenstrom ist aber 
Gleichstrom und mal addiert er sich zum Heizstrom und mal wird er von 
jenem subtrahiert.

> Wie ich oben schon sagte, fließt nicht nur der reine Strom zum Heizen
> über die Filamente, sondern auch anteilig Anodenstrom. Und den kann man
> mit der Z-Diode und einem Poti gut einstellen. (Helligkeitseinstellung).
> Hab ich selber ausprobiert. In Summe: 0

Zweifellos kann man mit der Z-Diode am Mittelpunkt der Heizspannung 
auch die Helligkeit des VFD beeinflussen, denn die Z-Diode vermindert ja 
die effektive Anodenspannung. Aber das ist nicht der Zweck der 
Z-Diode. Der Zweck besteht darin, Ghosting zu verhindern indem 
abgeschaltete Anoden/Gitter sicher negativer als jeder Punkt des 
Filaments gehalten werden. Und dazu muß das Filament halt ein paar Volt 
über der negativsten Spannung im System floaten.

Die Helligkeit des VFD stellt man typischerweise mit PWM (an den 
Gittern) ein. Das funktioniert auch besser, denn die U/I Kennlinie einer 
Gasentladung ist nichtlinear.

[Alexander H. (alexander_h732)]

Hallo,

hab nochmal ein bisschen was gelesen zum Thema PPTC und 
Z-Diode/TVS-Diode.
Mir ist immernoch nicht ganz klar, ob TVS oder Z-Diode für meinen Fall 
besser geeignet ist.

TVS-Dioden sichern ja besondern gut gegen ESD ab, also ganz kurze 
Impulse mit hoher Energie.
Ich will ja nur allgemein gegen Überspannung/Durchbrennen schützen 
(weniger gegen ESD) und die PPTC Sicherung soll sicher auslösen. 
Gleichzeitig wäre die PPTC Sicherung eine Art Softstart, da beim 
Einschalten recht hohe Ströme >100mA fließen.
Die TVS-Diode wird ja bei Überspannung(wenn im Datenblatt so angegeben) 
in 95% der Fälle kurzgeschlossen. Damit löst dann die Sicherung sicher 
aus.
Was passiert, wenn permanent nur ganz leichte Überspannung anliegt?

Falls eine TVS-Diode für meinen Fall passt, müsste ich eine 
bidirektionale TVS-Diode knapp oberhalb der Heizspannung suchen. Weiß 
jemand, wie genau die TVS-Dioden im Bereich um 2V sind?

Hatte mal bei Futaba nachgefragt, wie kritisch die Einhaltung der 
Heizspannung wirklich ist und dort sagte man mir, dass zB. dauerhaft 10% 
mehr Spannung als im Datenblatt schon zu deutlichem Lebensdauerverlust 
führt.

[Peter D. (peda)]

Alexander H. schrieb:
> Ich will ja nur allgemein gegen Überspannung/Durchbrennen schützen

Wie schon gesagt, der IC regelt nichts. Wenn die 5V stimmen, muß auch 
die Heizspannung stimmen. Ohne wenn und aber.

Sicherungen, PTC usw. habe sehr große Toleranzen, die können keine 10% 
Genauigkeit.

[Karl B. (gustav)]

Sei so gut und zeichne noch einmal ein komplettes Schaltbild.
Das im Eröffnungspost ist nicht vollständig.
https://www.mikrocontroller.net/attachment/preview/672682.jpg
Wir gehen sonst von verschiedenen Voraussetzungen aus.
Bei "meinem" VFD sind drei Spannungsquellen zu unterscheiden.
1) Heizspannung, hier 1,2 V bzw. 2,4 V wahlweise
2) Anodenspannung bis 27V
3) Spannung für die Logik-ICs insbesondere den 
BCD-zu-Siebensegment-Decoder-Treiber in NMOS-Technologie. 9V.
Nun verhält es sich so, dass letztere gemeinsam mit der Anodenspannung 
verwendet wird. Mit der Besonderheit, dass der GND-Anschluss der 
Logik-Versorgungsspannung "hochgelegt" wird. Über Widerstände und 
Zenerdiode 9,1 V. Somit schwankt die Spannung an den Segment-Anoden (und 
Gitter) zwischen positivem und negativem Potenzial bezüglich GND. Damit 
alleine wird der oben erwähnte Ghosting-Effekt wirksam unterdrückt. 
(Über die 100 kOhm Widerstände).
Kann sein, dass Deine Schaltung völlig anders aufgebaut ist, und wir 
hier aneinander vorbei reden.
Deswegen nochmals die Bitte, den vollständigen Plan hier zu zeigen.

Und: Die von mir angegebenen Geräte haben keine Extra-Vorkehrungen gegen 
Durchbrennen der Filamente getroffen, es reicht, die Spannungsversorgung 
einmal typengercht auszulegen, dann funktioniert die Elektronika-Uhr 
auch bei schwankender Netzspannung und sibirischer Kälte.

ciao
gustav

[Alexander H. (alexander_h732)]

„ Sicherungen, PTC usw. habe sehr große Toleranzen, die können keine 10% 
Genauigkeit.“

Hab ich verstanden. Daher wäre interessant, ob eine Kombination mit 
TVS-Diode besser ist.
Hat jemand schonmal getestet, wie eine TVS-Diode sich rund um die 
Schaltschwelle (breakdown voltage) verhält bzw. ob die TVS-Diode zB. auf 
dauerhaft leicht erhöhte Überspannung zuverlässig reagiert?
Die Fehlerfälle, bzw. ob ein Eintreten wahrscheinlich ist oder nicht ist 
doch nicht wirklich relevant für ein Hobbyprojekt.
Es ist sehr unwahrscheinlich dass, zB. bei (Erst-)Inbetriebnahme ein 
falscher Vorwiderstand gewählt wurde, oder die Eingangsspannung zu hoch 
ist. Passiert aber trotzdem gern mal.

Mir ging’s um eine einfache Absicherung und besser als eine PTC 
Sicherung wäre die Kombination wohl.
Eine Crowbarschaltung ist natürlich auch gut aber schon aufwendiger.

[Marek N. (db1bmn)]

Als "PTC" würde sich ja auch einfach ein Glühlämpchen eignen.

[Alexander H. (alexander_h732)]

In den meisten Schaltungsbeispielen im
Netz leitet die TVS-Diode gegen GND ab.

Ist das in meinem Fall so richtig gedacht, dass im Überspannungsfall 
(>10% = ab 2,2V) die Ausgänge des LM9022 über die PPTC Sicherung quasi 
kurzgeschlossen werden?
Ich frag mich gerade, ob das der LM9022 aushält, oder ob die Sicherung 
schnell genug auslöst.
Meine Heizspannung beträgt 2,0V/20mA.
Würde eine 2,2V TVS-Diode vorsehen, kombiniert mit einer 20mA (I_hold)
PPTC Sicherung.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Alexander H. schrieb:
> Hatte mal bei Futaba nachgefragt, wie kritisch die Einhaltung der
> Heizspannung wirklich ist und dort sagte man mir, dass zB. dauerhaft 10%
> mehr Spannung als im Datenblatt

Das sind aber zwei verschiedene Paar Schuhe. Zum einen "dauerhaft" und 
zum anderen "mit der Meßspitze abgerutscht".

Also einmal die prinzipielle Schaltungsauslegung. Da kenne ich kein 
Gerät das eine "Sicherung" welcher Art auch immer für die Heizung 
vorsieht. Im Gegenteil. In Millionen Geräten wird (bzw wurde) die 
Heizung direkt an einer geeignet dimensionierten Wicklung des Netztrafos 
betrieben. Das ist viel unkritischer als gedacht, dann das Filament ist 
ja ein Glühdraht, begrenzt also durch das eigene PTC Verhalten seine 
Temperatur. Und kommt so auch mit Netzspannungsabweichungen von ±10% 
zurecht.

Millionen Hifi-Geräte, Mikrowellen und Videorecoderder haben bis zu 
ihrem Lebensende mit ihrem VFD treue Dienste geleistet. Und wenn das VFD 
doch mal ausgefallen ist (hört man von diversen HP-Multimetern - die 
sind halt langlebiger als eine Mikrowelle) dann war es nicht die 
Heizung, sondern sie haben Luft gezogen oder der Leuchtstoff war am 
Ende.

Und das andere sind halt grobmotorige oder schlicht dämliche Bastler. 
Wenn man dieses Problem selber hat, gibt es bessere Abhilfe als eine 
Sicherungsschaltung. Wenn es zu Katastrophen führt wenn man sich dumm 
anstellt, dann darf man sich halt nicht dumm anstellen. Ist doch ganz 
einfach, oder?

[Alexander H. (alexander_h732)]

Sorry, zur Einschaltstrombegrenzung bräuchte man natürlich einen NTC.😅

[Peter D. (peda)]

Alexander H. schrieb:
> Würde eine 2,2V TVS-Diode vorsehen, kombiniert mit einer 20mA (I_hold)
> PPTC Sicherung.

Quatsch, es gibt keine TVS für 2,2V.
Z-Dioden <5V haben nur noch eine sehr flache Kennlinie. Eine TVS für 5V 
begrenzt ab ~7,1V, siehe Bild.
Und Polyfuse für kleine Ströme können nicht zaubern. Sie brauchen eine 
gewisse Leistung zum Ansprechen, d.h. einen hohen Spannungsabfall.

Die Einstellung der Filamentspannung erfolgt in Deiner Schaltung über 
den Blindwiderstand von C23, C24 bzw. optional über R80, R85.

Und wie schon gesagt, ein höherer R81, R84 begrenzt im Fall des 
Rumfummelns. Einfach mal probieren, wie weit man da gehen kann, ohne daß 
die Helligkeit zu sehr abnimmt.