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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schutz vor transienten Spannungsimpuls nicht gegeben


Autor: Hans (Gast)
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Hallo,

bei einem Sensoreingang mit 4-20mA Messsignal, habe ich zum Schutz vor 
transienten Spannungsimpulsen eine 24V Suppressordiode (TVS - 600W) am 
Signaleingang positioniert (siehe Schaltung). Der sich auch am 
Siganleingang befindende MOSFET mit einem maximalen Uds von 30V ist 
während des Betriebes gleich bei 8 von 9 Sensoreingängen defekt 
geworden. Da das Gerät vorher bereits mehrere Wochen problemlos 
funktioniert hat, kann ich mir nur einen Spannungsimpuls als Ursache 
vorstellen. Genau verifizieren kann ich es allerdings nicht, jedoch ist 
der gesamte Rest der Schaltung noch funktionsfähig.

Meine Fragen wären nun:
* Ist der Schutz für den MOSFET (Uds=30V) auf der Platine trotzdem 
gegeben, obwohl er auf der Leiterbahn ca. 5mm näher dem Sensoreingang 
als die Suppressordiode (24V) ist?

*Wie weit müssen Bauteile erfahrungsgemäß vom Signalpfad einer 
Suppressordiode nachgeschalten sein, damit sie bei transienten 
Spannungsimpulsen keinen Schaden davon tragen?

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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...wie geht deine Schaltung denn nach rechts weiter? In der von Dir 
gezeigten Form kann man kaum Aussagen/Abschätzungen zu den Verhältnissen 
(spez. von Ugs) während eines Transienten treffen.

Ich denke mal, dass dort ein Verbraucher in Form eines Lastwiderstandes 
und/oder Optokopplers für die Stromschleife ist. Und dann noch irgend 
eine Ansteuerung, die den MOSFET "aufdreht".

Auf welchen Spannungsniveaus bewegen sich denn Gate und Source da so?

Unabhängig davon sollte vom Eingang her zuerst die TVS Diode kommen (mit 
möglichst kurzer und mit breiten Leiterbahnen ausgeführter Anbindung an 
Signal und Bezugspotenzial), dann ein Entkopplungsnetzwerk (am Besten 
eine LC-Kombination), dann der MOSFET. Andersrum kann ein Transient 
wegen der Gatekapazität je nach den beteiligten Impedanzen dazu führen, 
dass ein Transient den Kanal überwindet, bevor die Gateansteuerung 
diesen zumachen kann. Dadurch steigt das Sourcepotezial an und es werden 
u.U. die max. +/- 8V Ugs des MOSFETs überschritten.
Wie sieht denn so ein toter Fet aus? Gate/Source Durchschlag?

Autor: Hans (Gast)
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An das Gate wird vom Flip-Flop eine Spannungen von 0 bzw. 5V angelegt 
während hinter dem MOSFET an einer 100 Ohm Bürde bis zu 3V abfallen. Ab 
dieser Spannung, wird der MOSFET über den Komperator und das Flip-Flop 
gesperrt (Erkennung von Kurzschluss der Messfühlereingänge). Man hat 
somit im Betrieb ein Ugs = 2V bis 4,6V.

Kaputter Transistor sieht folgendermaßen aus: Das Flip-Flop, das an das 
Gate angeschlossen ist, kann nur mehr ca. 4,8V Spannung liefern, während 
der MOSFET (Uds) voll durchsteuert. Also ja, die Ugs-Strecke ist kaputt.

Soll ich vielleicht das T-Glied (CRC) direkt nach den Suppressor und vor 
den FET setzen?

Autor: Hans (Gast)
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Über Ugs des toten Fets fließen ca. 4 bis 15mA....

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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Hans wrote:
> An das Gate wird vom Flip-Flop eine Spannungen von 0 bzw. 5V angelegt
> während hinter dem MOSFET an einer 100 Ohm Bürde bis zu 3V abfallen. Ab
> dieser Spannung, wird der MOSFET über den Komperator und das Flip-Flop
> gesperrt (Erkennung von Kurzschluss der Messfühlereingänge). Man hat
> somit im Betrieb ein Ugs = 2V bis 4,6V.

Ok, wenn der FET mit Ugs von 2V zufrieden ist...

> Kaputter Transistor sieht folgendermaßen aus: Das Flip-Flop, das an das
> Gate angeschlossen ist, kann nur mehr ca. 4,8V Spannung liefern, während
> der MOSFET (Uds) voll durchsteuert. Also ja, die Ugs-Strecke ist kaputt.

Das spricht für das von mir skizzierte Szenario (Überschreiten der 
zulässigen Ugs mit Durchschlag des Gate-Oxids).

> Soll ich vielleicht das T-Glied (CRC) direkt nach den Suppressor und vor
> den FET setzen?

Ja, das täte ganz gut. Du könntest ausserdem noch einen Kondensator 
(vielleicht auch in der Größenordnung 4,7nF) zwischen Gate und Source 
schalten. Das verlangsamt den Schaltvorgang kaum, belastet auch das FF 
nicht wesentlich, sorgt bei einem Transienten aber dafür, dass Ugs nicht 
zu schnell anwachsen kann. Nach TVS und (Pi-)Filter sollte die Energie 
nicht mehr ausreichen den C "vollzumachen". Um ein Übriges zu tun 
könntest Du ggf. den Widerstand durch eine Ferritperle ersetzen.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Schon an eine negative Eingangsspannung gedacht? Dank der 
bidirektionalen Schutzdiode wird dabei die zulässige 
Gate-Source-Spannung überschritten (ca. 5V+24V) bevor die Diode 
eingreift. Eine unidirektionale Diode erscheint mir sinnvoller.

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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...das mit der negativen Spannung ist natürlich berechtigt. Ich ging 
bisher (gedanklich, implizit) davon aus, dass Hans eine unidirektionale 
TVS benutzt (wie es bei seiner Eingangsschaltung ja nur Sinn machen 
würde). Im Schaltbild ist aber tatsächlich eine bidirektionale 
eingezeichnet, das wäre natürlich schlecht.

Autor: Hans (Gast)
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Können die unidirektionalen Suppressordioden auch negative 
Spannungsimpulse mit der angegebenen Leistung problemlos schlucken?

Wenn ja, spricht ja gar nichts gegen den Austausch der bidirektionlen 
TVS gegen eine unidirektionale, oder gibt es da noch andere 
Unterschiede?

Autor: Andreas K. (a-k)
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> Können die unidirektionalen Suppressordioden auch negative
> Spannungsimpulse mit der angegebenen Leistung problemlos schlucken?

P6KE: 100A peak forward surge current. Reicht das?

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