Elektrostatische Entladungen (ESD) Blitzschläge ... - Unterricht

Transient Protection© by Bruno Wamister, bruno@wamister.ch12. Januar 2004Mit dem Technologiefortschritt und der immer weiteren Verbreitung von hochintegrierten Elektronikschaltungenwerden ganze Grosssyteme immer empfindlicher und anfälliger auf Umwelteinflüsse. Elektronikschaltungen könnenbereits durch geringe Überspannungen beschädigt oder zerstört werden. Überspannungen entstehen überallin unserer Umgebung. Statische Entladungen, Elektrosmog und Blitze können solche empfindliche Elektronikschaltungenleicht zerstören, wenn sie nicht entsprechend geschützt werden. Geräte die heute im EU Raum verkauftwerden sollen, müssen gemäss EU Richtlinien (IEC) gegenüber solchen Einflüssen geschützt sein. Je nachGerät und Anwendung werden unterschiedliche Schutzelemente eingesetzt. Die wichtigsten Schutzelemente fürElektronikschaltungen sind Funkenstrecken, Metalloxyd Varistoren (MOV), Filterschaltungen sowie Diodenund Zenerdioden. Die Anwendung von Dioden und Zenerdioden in Schutzschaltungen wird hier beschrieben.Elektrostatische Entladungen (ESD)Für Geräte der Nachrichtentechnik und PCs sindelektrostatische Entladungen die grösste Gefährdung.Im schlechtesten Fall kann eine solche Entladungeine Spannung von bis zu 15kV und einenStrom von bis zu 15A erreichen (Fig.1). Viele Herstellerschützen ihre Geräte sogar bis zu ESD PegelnI peak30ns60nsFig.1: ESD Stromimpuls nach IEC 801-2von 25kV. Integrierte Schaltungen widerstehen ohnezusätzlichen Schutz ESD-Entladungen bis zu 2000V.Unsere Fingerspitzen können Entladungen unter3000V nicht fühlen. Wir können mit einer ESD alsoKomponenten zerstören ohne dabei etwas zu merken.Wie Fig.1 zeigt, erfolgen diese Entladungen insehr kurzer Zeit.BlitzschlägeAuch Blitzeinschläge in Leitungen oder Häuser verursachenin elektronischen Geräten hohe Überspannungenmit grossen Strömen. Blitz Störimpulse sindwesentlich länger. Man rechnet mit einer Pulsanstiegszeitvon 8us und einer Halbwärtszeit von 20us.(8/20us Normimpuls). Störimpulse durch Blitze habendaher eine viel grössere Energie als ESD.t1FunkenstreckenZur Unterdrückung von hochenergetischen Störungenwerden oft Funkenstrecken-. Überspannungsableitereingesetzt. Solche Bauteile zünden je nachTyp zwischen 150V und einigen 100V und könnenwährend einem 8/20us Normimpuls Spitzenströmebis zu 20kA führen.Transient Voltage Suppressors (TVS)Ein gutes Schutzelement muss sehr schnell reagieren,grosse Ströme leiten und dabei die Spannungauf einem niederen Niveau begrenzen. Halbleiterherstellerhaben dazu spezielle Zenerdioden sogenannteTransient Voltage Suppressors (TVS) entwickelt.TVS haben einen PN-Übergang wie eine Siliziumdiode,verfügen jedoch über einen wesentlich grösserenJunction-Querschnitt. Dicke metallisierte Kontakteübernehmen die durch die vernichtete Energieproduzierte Wärme bei energiereichen Störimpulsen(Blitz).TVS sind in verschiedenen Grössen (Leistungsklassen)erhältlich. Die Bezeichnung enhält meistens diemaximale Leistung die ein TVS während 1ms aufnehmenkann. Es gibt Typen von einigen Watt bis zu5kW Impulsleistung. Je nach Zenerspannung könnendie TVS einer bestimmten Leistungsklasse verschiedengrosse Ströme führen. Von der Leistungsklassehängt auch die Gehäusegrösse und die Gehäuseformab.TVS gibt es als uni- und bidirektionale Elemente.Unidirektionaler TVSBididirektionaler TVS

Transient ProtectionÜbersicht über TVS Typen:• Begrenzungsspannung: 5.6V..200V• Ableitströme (1ms): bis 300A• Leistungsaufnahme (1ms) bis 5kWTVS Elemente sind in verschiedenen Gehäusen untergebracht(inklusive SMD). TVS-Schaltungen sindauch als sogenannte Arrays mit mehreren Diodenzum Schutz von Übertragungsleitungen mit parallelerDatenübertragung erhältlich.Anwendungen:TVS werden oft zusammen mit normalen Dioden eingesetzt.Eine Schaltung zur Überspannungsbegrenzungvon drei Datenleitungen ist im folgenden Bilddargestellt. Die Spannung an den Signalleitungen S1..S3 kann nur Werte erreichen die im folgenden Bereichliegen:UtvsUfUsmax > Us >UsminUsmax = Utvs + UfUsmin = -UfBegrenzungsspannung des TVSVorwärtsspannung einer DiodeEs ist darauf zu achten, dass die Speisespannung(+Power Supply) kleiner ist als die Durchbruchspannungdes TVS!Ein wichtiges Merkmal einer TVS-Diode ist derSpannungsanstig bei maximalem Strom. In derfolgenden Figur ist die Begrenzungsspannung fürverschiedene Ableitströme Ipp in % von Ippmaxdargestellt:Auszüge aus TVS Hersteller-Datenblättern:Die im Anhang zu diesem Artikel beigelegten Datenblätterzeigen die Daten einiger typischer TVS. TVSsind auch unter verschiendenen Handelsnamen wieTRANSIL, TRANSZORB usw. bekannt.Infolge des dynamischen Zenerwiderstandes nimmtdie Spannung mit steigendem Ableitstrom zu. DerSpannungsanstieg ist bei TVS allerdings wesentlichgeringer als z.B. bei Metalloxyd-Varistoren.2

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Transient ProtectionQuellenhinweise:Datenblätter Motorola: http://www.mot-sps.com/sps/General/chips-nav.htmlDatenblätter SGS: http://www.st.com/stonline/books/pdf/menu/01040500.htmArtikel über Transient Protection:http://www.microsemi.com/scripts/micnotes/micnotes.idc?family=100http://www.semi.harris.com/families/tvs.htmhttp://www.irf.com/http://www.hut.fi/Misc/Electronics/circuits/rs232_protector.html4