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Powermanagement-ICs

High-Side-Schalter schützen


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Welche Fehler können auftreten?

  • Induktive Spannungsspitzen

Wird ein Ventil geschlossen (oder geöffnet), unterbricht der Schalter den Stromfluss durch die meist induktive Last abrupt. Es liegt in der Natur einer Induktivität, diesem Effekt entgegenzuwirken und dabei eine hohe Rückschlagspannung zu erzeugen, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Diese Rückschlagspannung, die am Source-Anschluss (S) des Schalttransistors auftritt, ist auf einen Wert zu begrenzen, der in der Mitte des Bereichs des »Absolute Maximum Ratings« des Controller-ICs liegt. Dies verhindert, dass die große negative Spannung, die zwischen Source und Gate entsteht, Schäden verursacht.

Ein gängiger Lösungsansatz ist die Verwendung einer Suppressor-Diode (Transient Voltage Suppressor, TVS), die die Spannung am Source-Anschluss auf einen vorgegebenen sicheren Wert klemmt. Bei der Auswahl einer TVS-Diode sollte deren nominaler Spitzenstrom größer sein als der Spitzenstrom, der im normalen Betrieb durch sie fließt. Während der Spannungsbegrenzung sollte die in der Diode abgeleitete Spitzenleistung innerhalb ihrer Nennspezifikation (für die höchste Betriebstemperatur) liegen. Um Schäden zu vermeiden, ist es außerdem wichtig, dass der Source-Anschluss des Treiber-ICs der maximalen Klemmspannung der Suppressor-Diode standhalten kann.

  • Blockiertes Ventil

In einem industriellen Prozess kann es vorkommen, dass ein Ventil vorübergehend in einer Position festhängt und deshalb nicht vollständig öffnet oder schließt. Dies kann einen Überstromzustand verursachen, bei dem der Treiber-IC des Schalters den Strom zur Last allmählich erhöht, um das Ventil zu bewegen. Wenn sich das Ventil dann plötzlich wieder bewegt, ist das Problem gelöst und der im Schalter fließende Strom kehrt schnell zum Normalzustand zurück. Wenn das Ventil jedoch in seiner Position steckenbleibt, kann der Strom weiterhin über den Nennwert des Schalters hinaus ansteigen. Dauert dieser Zustand länger an, kann die überschüssige Wärme den Schalter dauerhaft beschädigen oder sogar zerstören. Daher ist es wichtig, die Höhe und Dauer des auftretenden Überstroms zu begrenzen.

  • Kurzschluss

Ein Kurzschluss zwischen dem LOAD- und RETURN-Anschluss (Bild 1) ist die heftigste Art eines Überstromzustands. In diesem Fall wird der Strom nur durch den Einschaltwiderstand (RDS(on)) des Schalters begrenzt und führt, wenn er nicht schnell genug erkannt und/oder abgesichert wird, dazu, dass der Schalter durchbrennt und damit irreparabel geschädigt wird. Der Schutz gegen einen Kurzschluss erfolgt auf die gleiche Weise wie bei Überstrom.

  • Überhitzung

Steigt die Temperatur unerwartet an, z. B. weil ein Lüfters bzw. Kühlventilators ausgefallen ist, können die Umgebungsbetriebsbedingungen von Industrieanlagen die maximal zulässigen Werte überschreiten. In einem Aktuator kann dies dazu führen, dass die Temperatur im Schalttransistor den spezifizierten Betriebsbereich verlässt. Im besten Fall vermindert sich die Leistung, im schlimmsten Fall kann er vollständig durchbrennen. Daher ist es wichtig, die Umgebungstemperatur des Geräts kontinuierlich zu überwachen, damit es bei Bedarf schnell abgeschaltet werden kann.

  • Fehlerhafte Verkabelung

Menschen sind nicht unfehlbar und selbst die bestausgebildeten Techniker können Fehler machen – besonders unter dem Zeitdruck. Wenn ein Techniker einen Kabelsalat vor sich hat, ist einer der einfachsten und daher häufigsten Fehler, den er machen kann, einen Pluspol mit einem Minuspol zu vertauschen. High-Side-Treiberschaltungen müssen robust genug sein, um diesem Zustand sicher standzuhalten.

  • Überspannung von der Stromversorgung

Der von den meisten industriellen Geräten verwendete Nennspannung beträgt 24 V. Dennoch ist eine erhebliche Spannungsschwankung, hervorgerufen durch Übersprechen von Überspannungsspitzen durch das Auf- oder Abschalten großer Lasten, nicht ungewöhnlich. Während ein gewisses Maß an Schwankungen in der Versorgungsspannung zu erwarten ist und in der Regel eingeplant wird, kann ein Fehler in der Stromversorgung, die zur Erzeugung der 24-V-Schiene verwendet wird, dazu führen, dass diese wesentlich über die sichere Betriebsschwelle des Schalters und/oder der Steuerung ansteigt. Um dies zu verhindern, ist es nötig zu erkennen, ob die Versorgungsspannung über einen voreingestellten Schwellenwert gestiegen ist, und den Schaltkreis in so einem Fall abzuschalten.

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  1. High-Side-Schalter schützen
  2. Welche Fehler können auftreten?
  3. Wie der High-Side-Controller schützt

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