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Elektronische Signaleingänge in rauen Umgebungen vor Überspannungen schützen

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Richard Oed

Empfindliche elektronische Signaleingänge müssen vor Überspannungen geschützt werden. Aber wie schafft man das, ohne die Signale selbst zu beeinflussen?
Empfindliche elektronische Signaleingänge müssen vor Überspannungen geschützt werden. Aber wie schafft man das, ohne die Signale selbst zu beeinflussen? (Bild: VCG)

In diesem Analogtipp stellen wir einen Baustein vor, der empfindliche elektronische Signaleingänge auch in rauen Umgebungen zuverlässig vor Überspannung schützen kann, ohne das Nutzsignal negativ zu beeinflussen.

Die vor allem im industriellen Umfeld vorhandenen hohen Anforderungen an die Robustheit elektronischer Systeme stellen Entwickler vor große Herausforderungen. In der Regel sind zusätzliche Bauteile unumgänglich, um Systeme beispielsweise vor Überspannungen zu schützen.

Dabei kommt es immer wieder vor, dass diese Bauelemente die eigentlichen Signale in ungewollter Weise beeinflussen oder gar verfälschen. Zudem führen sie zu Mehrkosten und zu Platzproblemen auf der Leiterplatte. Beim Design der Schutzbeschaltung ist daher oft ein Kompromiss zwischen der Genauigkeit und dem Schutzniveau nötig.

Bild 1: Traditioneller Aufbau eines Überspannungsschutzes mit zusätzlichen diskreten Komponenten.
Bild 1: Traditioneller Aufbau eines Überspannungsschutzes mit zusätzlichen diskreten Komponenten. (Bild: Analog Devices)

Eine relativ einfache und häufig verwendete Methode besteht aus externen Schutzdioden, meist Suppressordioden, die zwischen Signalleitung und Versorgung beziehungsweise Masse geklemmt werden. Suppressordioden haben den Vorteil, dass sie sehr schnell sind und daher unmittelbar auf kurzzeitige Überspannungsimpulse reagieren können. Der linke Teil von Bild 1 zeigt diese Art von Überspannungsschutz.

Tritt ein positiver Überspannungsimpuls auf, wird er mit einem Strom über die Diode D1 nach VDD abgeleitet. Die Spannung wird somit auf VDD zuzüglich der Diodenflussspannung begrenzt. Ist der Impuls negativ und kleiner als VSS, gilt dasselbe, nur mit dem Unterschied, dass dieser über D2 nach VSS abgeleitet wird. Allerdings kann der durch die Überspannung verursachte Ableitstrom die Dioden beschädigen, wenn er nicht limitiert wird. Daher befindet sich im Pfad noch ein Strombegrenzungswiderstand. Für sehr raue Umgebungen kommt oftmals eingangsseitig noch eine bidirektionale Suppressordiode zum erhöhten Schutz zum Einsatz.

Nachteile dieser Art von Schutzbeschaltung sind unter anderem größere Flankenanstiegs- beziehungsweise Flankenabfallzeiten und kapazitive Effekte. Ferner bieten sie im spannungsfreien Zustand der Schaltung keine Schutzwirkung.

Meist verfügen die aktiven Bauteile selbst bereits über einen integrierten Schutz. Dieser kann aus einer Schalterarchitektur wie im rechten Teil von Bild 1 bestehen. Hier sind ebenfalls sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig Schutzdioden zu beiden Versorgungen vorhanden. Nachteilig wirkt sich auch hier der spannungslose Zustand aus. Denn durch die floatenden Signale kann es passieren, dass der Schalter über die Dioden und die Versorgungsleitung dennoch angesteuert wird und durchsteuert, wodurch der Schutz der Signalleitung abhandenkommt.

Bild 2: Überspannungsschutz mit integrierter, bidirektionaler ESD-Zelle.
Bild 2: Überspannungsschutz mit integrierter, bidirektionaler ESD-Zelle. (Bild: Analog Devices)

Unter anderem aus diesem Grund wurde die Schalterarchitektur um eine sogenannte bidirektionale ESD-Zelle wie in Bild 2 erweitert. Anstelle der eingangsseitigen Suppressordioden fängt nun die ESD-Zelle kurzzeitige Überspannungsimpulse ab, indem sie ständig die Eingangsspannung mit VDD beziehungsweise VSS vergleicht. Im Falle einer dauerhaften Überspannung öffnet der nachgeschaltete Schalter automatisch. Die Eingangsspannung wird hierbei nicht mehr durch die an die Versorgung geklemmten Schutzdioden begrenzt, sondern durch den maximalen Spannungswert des Schalters.

Weitere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Schalterarchitektur sind eine höhere Robustheit und Zuverlässigkeit der Systeme sowie nahezu keine Beeinflussung der eigentlichen Signale und deren Genauigkeit. Zudem kann der zusätzliche Strombegrenzungswiderstand entfallen, da die Leckströme bei geöffnetem Schalter sehr gering sind.

Eine derartige Eingangsstruktur weist beispielsweise der Vierfach-SPST-Schalter (Single-Pole Single- Throw) ADG5412F von Analog Devices auf. Dieser lässt unabhängig von einer vorhandenen Spannungsversorgung eine dauerhafte Überspannung von bis zu ±55 V zu. Eine in jedem der vier Kanäle integrierte ESD-Zelle fängt kurzzeitige Überspannungsimpulse bis 5,5 kV ab. Im Falle einer Überspannung wird nur der betroffene Kanal geöffnet, die übrigen arbeiten normal weiter.

Ein solcher Fehlerschutzschalter vereinfacht elektrische Schaltkreise und bietet gegenüber einer diskret aufgebauten Lösung viele Vorteile, sowohl was die optimale Schaltperformance und Robustheit innerhalb einer Präzisions-Signalkette angeht, als auch bezüglich des Platzbedarfs auf der Leiterplatte. Ein derartiger Überspannungsschutz mit dem ADG5412F eignet sich daher besonders für hochpräzise Messanwendungen in rauen Umgebungen.

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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