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Bauelemente Maximalwerte einhalten oder wie sich Schadensszenarien vermeiden lassen

| Redakteur: Kristin Rinortner

Der absolute Maximalwert eines ICs ist der Grenzwert, bei dem das Bauteil sicher betrieben werden kann, ohne Schaden zu nehmen oder zerstört zu werden.

Maximalwerte einhalten oder wie sich Schadensszenarien vermeiden lassen
Maximalwerte einhalten oder wie sich Schadensszenarien vermeiden lassen
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)
Wieviel Sicherheit enthalten eigentlich „absolute Maximalwerte“? Keine! Und ICs sind keine wahrsagenden Kristallkugeln.

Der absolute Maximalwert (Absolute Maximum Rating) eines ICs ist der Grenzwert, bei dem das betreffende Bauteil sicher betrieben werden kann, ohne Schaden zu nehmen oder zerstört zu werden.

Wie weit diese Grenzen überschritten werden dürfen, wird in den Datenblättern nie angegeben. Manche Bauteile sind sehr robust, manche nicht. Doch kein Hersteller bietet Unterstützung bei Überschreiten dieser Grenzwerte an. Die einzig sichere Regel lautet daher „nie“ als nie zu behandeln. Erst wenn man versteht, warum eine Überschreitung maximaler Grenzwerte Beschädigungen verursachen kann, lassen sich bessere Systeme entwickeln.

Eine Zenerdiode ist so ausgelegt, dass sie mit einer Rückwärtsspannung leiten kann, die höher als ihre Durchbruchspannung ist. Sie kann große Rückwärtsströme sicher leiten. Doch andere IC-Dioden, speziell Basis/Emitter-Sperrschicht-Dioden, werden durch sehr kleine Rückwärtsströme beschädigt. Und das manchmal in wenigen Mikrosekunden. Auf ähnliche Weise wird das Gate-Oxid eines MOS-Bausteins durch eine Überspannung irreparabel beschädigt. Dies bedeutet, dass durch Überschreiten absoluter Maximalspannungen ICs beschädigt werden können, indem eine Sperrschicht oder das Gate-Oxid durchbrochen werden.

Einige absolute Maximalspannungen werden mit anderen Spannungen ausgedrückt. In anderen Worten, die Eingangsspannung (UIN) eines Verstärkers kann auf USS–0,3 V ≤ UIN ≤ UDD+0,3 V begrenzt sein. Oder die maximal zulässige negative Versorgungsspannung kann bezüglich der positiven Versorgungsspannung –USS ≤ UDD definiert werden. Ersteres bedeutet, dass die Eingangsspannung nicht über 300 mV über der Versorgung liegen darf. Die zweite Aussage heißt, dass der Maximalwert der negativen Versorgungsspannung nie die positive Versorgungsspannung übersteigen darf. Dies bedeutet nicht, dass, falls man mit einer UDD von z.B. +10 V arbeitet, die am Eingang +8 V angelegt werden kann; oder an USS –8 V, bevor UDD eingeschaltet wird.

Obwohl Siliziumbausteine eine kristalline Struktur haben, sind sie keine Kristallkugeln und können die Zukunft nicht vorhersagen. Absolute Maximalspezifikationen dieses Typs bedeuten, dass die Reihenfolge beim Einschalten der Versorgungsspannung und Anlegen der Signale wichtig ist. Ein Überschreiten solcher Grenzwerte verursacht vielleicht keinen Ausfall des Bausteins, kann aber wahrscheinlich parasitäre Elemente im IC-Substrat aktivieren. Diese wiederum können zu einem Latchup führen, die Stromversorgung kurzschließen und das Bauteil durch Überstrom oder Übertemperatur zerstören.

Zusätzlich zu Spannungsgrenzwerten kann die absolute Maximalspezifikation folgendes begrenzen: die Verlustleistung auf dem Baustein, die Ströme an bestimmten Anschlüssen und die Chip- sowie die Gehäusetemperatur. Manchmal können Transienten und Stromgrenzwerte höher als die entsprechenden Werte im Betrieb sein, doch ist es sehr wichtig, die vorgegebenen Grenzwerte zu verstehen und einzuhalten.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.