Dimensionierung von Schutzdioden

Beim Entwerfen eines grundlegenden Vorabschutzes in einer Schaltung bin ich auf ein seltsames Rätsel gestoßen. Ich finde es sehr schwierig, sowohl eine Sperrspannungsschutzdiode als auch eine Transientenspannungsdiode (TVS) gleichzeitig zu dimensionieren.

Etwas Hintergrund:

Ich habe eine Grundschaltung mit einem Schaltregler entworfen. Die Schaltung hat vorne einen Pufferkondensator von 470 uF sowie eine Sperrspannungsdiode (wir hatten in der Vergangenheit Probleme damit, Dinge rückwärts anzuschließen) und eine TVS-Diode. Das Setup sieht wie folgt aus (rosa Klecks ist Zeug, das geschützt werden muss):

Grundlegendes Schutzlayout

Die Kuriositäten beginnen. Der Vorwärtsstoß zum Füllen des Kondensators ist ziemlich groß (der Widerstand des Kondensators ist auf 60 mOhm ausgelegt), was zu einem unangenehmen Stromstoß von bis zu 200 A führt! Das ist eine Menge! Ich habe den Kondensator nur nachträglich hinzugefügt, ohne die Folgen des Einschaltstroms zu kennen / darüber nachzudenken, und dies führte dazu, dass D1 beim Einschalten zerstört wurde. Die vorübergehende Lösung bestand darin, die Diode zu entfernen / durch eine kurze zu ersetzen und die Dinge einfach nicht rückwärts anzuschließen, aber für eine langfristige Lösung muss ich zwei Dinge untersuchen (und darüber lernen):

  1. 1-fache Vorwärtsstoßbewertung.
  2. Auswahl geeigneter Kapazitäts-/ESR-Werte zur Anpassung an (1). Wählen Sie GROSSE ESR-Werte (oder fügen Sie bei Bedarf einen Reihenwiderstand hinzu).

Nun, das ist alles in Ordnung und gut. Ich verstehe, wie das geht/was ich falsch gemacht habe. Was nicht so gut geliert, ist der Schutz der Schaltung im Falle eines TVS. Soweit ich weiß, schaltet das TVS ein und leitet den Strom (viel davon) um, wenn ein Überspannungsereignis auftritt. Bin ich in diesem Szenario nicht an die gleichen Einschränkungen der Vorwärtsstoßfestigkeit von D1 gebunden? zB wie Sie D1 nicht in die Luft jagen, wenn D2 für sehr kurze Zeiträume große Spannungen bei hohen Stromstärken aufweist? Ich sehe ein paar Möglichkeiten:

  1. Fügen Sie D2 einen Serienwiderstand hinzu.

Fragen:

A. Wie wirkt sich dies auf die Fähigkeit aus, die Schaltung zu schützen?
B. Müssen die Inline-Widerstände nicht riesig sein, um die Eingangsstromspitze zu bewältigen? Das ist hier ein Thema. Es scheint, als ob alles im Pfad (Stromschleife) des TVS, wenn es durch eine Spitze aktiviert wird, RIESIG und für angemessene Wattzahlen ausgelegt sein muss, was im Fall von Widerständen außergewöhnlich massiv ist.

  1. Angenommen, D1 wird nicht explodieren, weil ein TVS-Ereignis keine 8,3 ms dauert.

Fragen:

A. 8,3 ms beträgt die Dauer der Bewertung. Was ist die Faustregel? Mache ich eine "Leistungsäquivalenz"-Berechnung/Bewertung, zB I_surge * time == I_TVS_Surge * T_tvs_event? Offensichtlich wird das irgendwann nicht mehr halten, wenn überhaupt.

Mir fehlt hier definitiv etwas, aber die Frage nervt mich. An jedem Diagramm des TVS- / Rückwärtsdiodenschutzes, das ich gesehen habe, sind keine massiven Widerstandsbündel angebracht (oder ich schaue nicht auf die richtigen Diagramme).

Danke Matt

Bearbeiten:
Nur um hier ein paar Zahlen einzugeben: Ich schalte 12 V mit Solarladung aus (könnte möglicherweise bis zu 16/18 erreichen). Der Rest der Schaltung ist für eine maximale Eingangsspannung von 36 V ausgelegt. Schutzdiode hat eine Arbeitsspannung von 18, Klemme @29.

Jetzt denke ich, dass ich mit der Diodenauswahl usw. übertrieben habe, aber ich brauche dieses Ding zuverlässig. Der TVS ist für 5 kW ausgelegt und der Verpolungsschutz hat eine Überspannungsfestigkeit von 600 A (und ist absolut MASSIV). Die Notwendigkeit von Durchgangslochteilen hilft wahrscheinlich nicht, oder? (Im Moment ist es nur für einen Prototyp).

Fernseher: http://www.digikey.com/product-detail/en/littelfuse-inc/5KP18A/5KP18ALFCT-ND/1530615

reverse_polarity: https://www.digikey.com/product-detail/en/microsemi-corporation/APT75DQ60BG/APT75DQ60BG-ND/1494833

Also, wenn wir mit den Berechnungen fortfahren, wenn D2 zu leiten beginnt, ist es so

Ich = V/R ->

I_surge = (V_surge – V_drop_D1 – V_clamp_D2) / (R_power_line + R_diodes + R_optional_series_resistors).

Ich bin mir nicht ganz sicher, wie ich die durchlaufende Stromstärke berechnen soll, da V_surge nur eine Funktion ist und R_diodes wahrscheinlich eine Funktion von V_surge ist. Vielleicht könnte man das aus den Datenblättern belegen?

Ich habe auch ein paar 50-mOhm-Widerstände, die ich in Reihe schalten kann, aber sie sind nur für 5 W ausgelegt (und sie sind bereits riesig!) Und ich habe den Verdacht, dass sie einfach in die Luft gejagt würden, wenn ich sie einsetze.

Widerstände: https://www.digikey.com/products/en?keywords=mpr5jb50l0

was zu einem unangenehmen Stromstoß von bis zu 200 A führt , vorausgesetzt, die 12-V-Quelle kann diesen Strom liefern. Kann es ? Simulieren Sie das nur oder bauen Sie es? Nicht klar, was Sie tun. Wenn Sie möchten, dass der TVS-Schutz tatsächlich funktioniert , müssen Sie den Strom bei Überspannung unterbrechen . Jetzt versuchen Sie, das TVS dazu zu bringen, die gesamte Überspannungsleistung zu absorbieren. Das wird nicht funktionieren. Ersetzen Sie D1 durch eine Sicherung . Legen Sie dann D1 parallel zu D2, so dass D1 leitet, wenn die Polarität umgekehrt wird. Dann wird die umgekehrte Polarität die Sicherung durchbrennen und den Stromkreis schützen.
Sehen Sie sich hier auch an, wie Sie ein TVS verwenden: electronic.stackexchange.com/questions/259278/… und zum Verpolungsschutz hier: electronic.stackexchange.com/questions/284214/…
Stromquelle ist eine Autobatterie. Ich neige dazu, der Werbung für "Kaltstart 225 Ampere" auf dem Etikett zu glauben?
Es ist nicht klar, wovor Sie schützen. Zunächst macht die Verwendung von TVS parallel zu einem großen Kondensator keinen Sinn.
OK, tatsächlich kann eine Autobatterie diese Strommenge liefern. Der Einschaltstrom ist im Allgemeinen kein Problem, Sie haben auch den Serienwiderstand von D1 und den Leitungswiderstand vernachlässigt. Außerdem brauchst du D1 nicht, wenn du die Umdrehung machst. Schutz, wie ich vorgeschlagen habe. Die Sicherung wird nicht durchbrennen, wenn C1 lädt, Sicherungen sind dafür zu langsam. Ich verstehe auch nicht, warum Sie das TVS benötigen würden, da der zu schützende Stromkreis 36 V verarbeiten kann. Eine Autobatterie explodiert, bevor 36 V erreicht werden. Ich denke, Sie benötigen nur den Verpolungsschutz, der mit einer Sicherung und einem durchgeführt werden kann Diode .
@ali Ich schütze mich vor 2 Dingen. 1. Sperrspannung. Ich verwende die Empfehlung von Schnurrbart für eine Inline-Sicherung. 2. Vorübergehende Spannungsspitzen (nicht die Batterie geht in den "verrückten Modus", sondern Spitzen in der Leitung beim Verbinden / Trennen. Wir haben Teile ausgeblasen, als wir die Stromleitungen angeschlossen haben, die für 36 V ausgelegt waren, also gehe ich davon aus, dass es eine Spitze gab in der Leitung (daher versucht, eine TV-Diode vorzuschalten, um diese zu klemmen).
@ali fuhr fort ... Ich verstehe jetzt, dass es vielleicht unklug ist, zu versuchen, sich vor großen Spitzen zu schützen (woher würden sie kommen? Wenn ein Blitz herunterkommt und meine Kiste trifft, nun, dann sei es so, oder?) Wenn die Stromleitungen waren sehr lang und gingen zu irgendeiner Station auf der Strecke, dann macht es Sinn, aber wenn alles in einem geschlossenen Container ist, scheint es viel unwahrscheinlicher. Ein gewisser Schutz ist jedoch sinnvoll, oder?
@mustache, ich werde die relativen Widerstände zu meiner endgültigen Berechnung hinzufügen. Es war eher eine allgemeine Frage, wo mein Verständnis schief ging. So wie ich es verstehe, klemmt der Fernseher im Wesentlichen alles DOWNSTREAM, dann bleibt Ihnen die Stromschleife des Fernsehers übrig, um die Wattleistung zu bewältigen (die ein Widerstand von ein paar Watt mit einem vernünftigen Wert [sagen wir ein paar kOhm?]) als im Gegensatz dazu, den Fernseher nur die Wattzahl selbst handhaben zu lassen. Diese Stromschleife wird durch die Überspannung der Überspannung getrieben, also bemessen Sie sich darauf. Scheint ungefähr richtig?
@ali nochmal. Sind TV-Dioden keine gültige Quelle zum Schutz vor ESD? Die Elektronik befindet sich in einem Kunststoffgehäuse im Freien, wo sie regelmäßig gewartet wird. Ich würde denken, wir brauchen einen ESD-Schutz (warum also keine Fernsehdiode?). Ein Kondensator allein reicht sicher nicht aus.
TVS werden dort verwendet, wo Sie keinen großen Kondensator verwenden können, wie z. B. bei Hochgeschwindigkeits-Niederspannungssignalstiften wie USB-Stiften. Der Kondensator allein ist bereits ein perfekter Kurzschluss, um ESD-Ereignisse zu absorbieren (es sei denn, er hat sehr lange Leitungen und / oder eine schlechte innere Induktivität. In diesem Fall fügen Sie jedoch nur einige 0,1-uF-SMT-Keramikkappen parallel hinzu. Wenn Sie beim Verbinden ein starkes Klingeln haben , müssen Sie Gleichtaktdrosseln oder andere Filter hinzufügen, schauen Sie, wie es in anderen Geräten wie Netzteilen für PCs gemacht wird.
@FakeMoustache, die Art des Verpolungsschutzes, die Sie beschreiben, hat die Sicherung durchgebrannt, wenn sie verpolt angeschlossen ist, aber Sie können dies auch mit dem Diodenweg tun, den bathMarm0t bereits umrissen hat, und dann müssen Sie sich keine Gedanken über das Ersetzen der Sicherung machen (aber es hat die ganze Zeit einen Diodenabfall).
@mbrig Du sagst mir nichts, was ich nicht schon weiß, aber OP ging davon aus, dass beim Laden von C1 ein sehr großer Strom floss, sodass er ein Problem mit der Diode hatte. Wie auch immer, es ist eine verwirrende Geschichte, da der große Einschaltstrom sowieso nicht wirklich auftritt.
@bathMarm0t Wenn Sie es so entwerfen, dass das TVS die gesamte überschüssige Leistung absorbiert, können Sie den Schutz vor hoher Leistung (wie Blitzschlag) vergessen, da das TVS nicht damit umgehen kann, dass Sie ein TVS in der Größe eines Toasters benötigen würden. Ja, das klingt albern. Also muss die Stromversorgung unterbrochen werden. Entweder mit einer Sicherung oder anderen Mitteln.

Antworten (2)

Das Problem der Einschaltströme bei massiven kapazitiven Lasten wurde in der Industrie durch die Verwendung von Thermistorelementen (Thermistoren mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten) gelöst, siehe „PTC- Thermistoren zur Begrenzung des Einschaltstroms “. einen PC in eine Steckdose.

Der Überspannungsschutz wird auch nach der Installation von NTC- oder PTC-Einschaltstrombegrenzern verbessert/gelöst.

Es ist völlig normal, eine gewisse Induktivität in der DC-Einspeisung zu haben. Es ist durchaus üblich, mehrere Spulen zu sehen. Dies ist aus EMV-Gründen. Wenn es sich um einen Abwärtswandler handelt, würde er die Welligkeit dämpfen, damit sie nicht entlang des Kabels abstrahlt. Wenn es sich um ein Autoradio handelt, wäre die Induktivität da, um die Zündung zu stoppen und Generatorgeräusche in das Audio gelangen. Wenn die Induktivität so vorhanden ist, wie sie sein sollte, kann ihr DCR ausreichen, um den Einschaltstoßstrom zu begrenzen. Denken Sie daran, dass die charakteristische Impedanz auch den Stoßstrom begrenzt. Mit anderen Worten, Sie können die vorhandenen L und C manipulieren und erhalten Einschaltspitzenströme, die viel niedriger sind, als dies durch die Batteriespannung und die Schaltung DCR impliziert würde. Diese Induktivität bewirkt, dass D2 weniger Arbeit leistet, und reduziert die Größe von D1.

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