[christianw.]

Frohes Neues!  

Bei mir wurde die Frage vorgebracht, wie eine mögliche Schutzschaltung aufgebaut werden kann um einen sogenannten "Lock-In Verstärker" zu schützen.

Das Signal kommt von einer Hohlkathode, welche mit einem Laser durchleuchtet wird. Hierbei wird Material verdampft und es ergeben sich je nach eingesteller Wellenlänge des Lasers Impulse entsprechend des Spektralverhaltens.

Der Lock-In Verstärker ist über 1uF 1000V von der Hohlkathode entkoppelt. Bisher waren hinter dem Kondensator zwei antiparallel geschaltete Dioden gegen Masse, hat wohl aber trotzdem nicht geholfen, sodass ein Lock-In-Verstärker kaputt gegangen ist.

Ich hätte da jetzt sowas gedacht -> TVS Diode bidirektional und dahinter noch einen Serienwiderstand.

https://www.infineon.com/cms/en/product/...tvs3v3l4u/

https://docs.rs-online.com/d41f/0900766b812063de.pdf

Die bisherigen Dioden waren allesamt wesentlich größer. Nach meinem Verständnis agieren TVS wesentlich schneller als normale Schaltdioden.

Eingangssignal des Lock-In ist m.W.n. 1Vp.

[kahlo]

Das Signal "langsamer" machen ist keine Option (kleine Induktivität einschleifen)?

[christianw.]

Nein, eher nicht. Man will ja alle "Peaks" mitnehmen. Der Lock-In hat als Option einstellbare Zeitkonstanten, das kommt aber alles nach dem Eingang.

Die älteren vollanalogen Geräte sind wenig/nicht empfindlich auf diese Peaks am Eingang, nur dieser neumodische Kram.

   

Service Manual vom 393 Lock-In:

https://manuals.repeater-builder.com/te-...enance.pdf

[E_Tobi]

Was ist denn der relevante Frequenzbereich, wie hoch die Speisende- und Senkenimpedanz und wie hoch die erlaubte Dämpfung?
Ich hab vor ein paar Jahren einen Limiter für den ebenfalls empfindlichen Eingang vom Spekki gebaut, ~+/-1dB linear bis 700MHz, der allerdings auch gleich -10dB macht, wenn ich mich richtig erinnere...da könnte man sicher was abschauen, wenn das ins Konzept passt?

[kahlo]

So schnell ist der Verstärker ja nicht. Wenn ich das richtig sehe, maximal 200kHz. Darauf kann man den Input doch begrenzen und die Dioden kommen dann auch mit...

Meine unbedarfte Meinung .

[christianw.]

Für den unteren 5210 Lock-In (aus dem Bild) wird angegeben:

Input Impedance: 100MEGOhm 30pF
Max input voltage: +-100V AC without damage, +-10V without saturation

Kaputt gegangen ist aber nachfolgendes Gerät/Modell:

   

Scitec Instruments Model 420

https://scitec.uk.com/lockin_amplifier/p...%202-7.pdf

Standard:

   
   

Ich denke dieser Modus wäre problematisch:

   

---

Hier nochmal der Schaltplan einer alten "Schutzbox":

   

Dioden sind 1N5908 Transil 8V ESD Dioden.

Soweit ich verstanden habe, werden die gefährlichen Spannungsspitzen durch unsauberes "Brennen" der Hohlkathode erzeugt, also so eine Art spratzeln/funkeln. Die normalen Peaks sind natürlich wesentlich kleiner.


  1n5908.pdf (Größe: 110,79 KB / Downloads: 22)

[E_Tobi]

Achso, dann würde ich auch sagen dass das nicht so wild ist.
Die Schaltung die du hast, ergänzt um einen 10R oder so, je nachdem was man an Phasenverschiebung durch die Kapazität der TVS und den 330p akzeptieren kann, am Eingang oder vor Z1 sollte eigentlich tun.

Was der 330p da macht, wenn jede der Transil zwischen 4.5nF und 9nF hat, ist mir allerdings gerade nicht ganz klar

[voltwide]

(24.01.2024, 10:27 PM)E_Tobi schrieb: Achso, dann würde ich auch sagen dass das nicht so wild ist.
Die Schaltung die du hast, ergänzt um einen 10R oder so, je nachdem was man an Phasenverschiebung durch die Kapazität der TVS und den 330p akzeptieren kann, am Eingang oder vor Z1 sollte eigentlich tun.

Was der 330p da macht, wenn jede der Transil zwischen 4.5nF und 9nF hat, ist mir allerdings gerade nicht ganz klar

Da das Ganze ja nicht sonderlich schnell zu sein scheint, würde ich zwischen Begrenzer-Ausgang und Messeingang einen Serienwiderstand 1..10k einfügen,

[christianw.]

(24.01.2024, 10:27 PM)E_Tobi schrieb: Was der 330p da macht, wenn jede der Transil zwischen 4.5nF und 9nF hat, ist mir allerdings gerade nicht ganz klar

Eine Messung ergab 22nF. Die alte Box habe ich nicht vorliegend, nur den Schaltplan und ein paar Bilder.

Ich würde also 10R vor der TVS einfügen und am Ausgang 1-10kOhm. (Die 22nF lasse ich weg?)

Mir wurde noch gesagt, dass der Laser mit ca. 1kHz mittels Blendenrad mechanisch "gechoppt" wird, aber Rechteckimpulse sollten schon im Lock-In ankommen.

[christianw.]

Die Idee in LTSpice.

   


  TVSSim.asc (Größe: 1,64 KB / Downloads: 16)

[voltwide]

könnten die gemessenen 22nf von den tvs kommen? Ansonsten würde ich das so probieren

[christianw.]

Wäre möglich.

Ich habe als Alternative zur 1N5908 (VBRmin = 6V) noch eine Alternative bei Reichelt gefunden - "Low Voltage TVS" mit VBRmin=4.1V:

https://cdn-reichelt.de/documents/datenb...NG_TDS.pdf

https://www.reichelt.de/tvs-diode-unidir...iode+3%2C3

[voltwide]

Ja, das sind so die üblichen Teile. Preislich durchaus im Rahmen.

[E_Tobi]

Schaut doch gut aus!

Würde mich zwar aus dem Fenster lehnen und behaupten dass in der Schaltung TVS keinen Vorteil gegen normale Dioden haben, aber schaden tuts mEn auch nix...

[christianw.]

Ich dachte/denke bisher, dass TVS schneller ansprechen (wenige Picosekunden) und kleinere Kapazitäten bei höherer Pulsverlustleistung haben.

[E_Tobi]

Bevor sie in Rückwärtsrichtung durchbrechen, wird die jeweils andere Diode schon in Vorwärtsrichtung leitend...von da her haben sie eh nur die "normale" Diodenverlustleistung. Die Fähigkeit hohe Impulsleistungen zu schlucken, wie im Rückwärtsbetrieb, kommt in der Schaltung nicht zum tragen.

Von der Kapazität her sind TVS ziemlich heavy, weil sie, um die Pulsverluste schlucken zu können, einen fetten Chip brauchen.
Die TVS aus deinem Link zb hat 100A pk forward bei knapp 10nF Kapazität. Eine Vishay S8x hat bei 220/500Apk fwd 72pF.
In dieser Applikation schadet das aber überhaupt nicht, im Gegenteil, weil der Filter gegen die 10Ohm auch schon hilf Peaks wegzuglätten.

Klar gibt es auch vorwärts eine Schaltzeit, aber die liegt normal irgendwo im einstelligen nanosekundenbereich, und ist für die TVS nicht definiert. Da sind die sonst beteiligten Kapazitäten und Induktivitäten viel zu groß als dass das relevant würde.

Deswegen denke ich schnelle Schaltdioden sollten da genau so gut oder schlecht funktionieren.

Wenn die TVS als TVS arbeiten sollen, müsstest du sie in Reihe schalten, Anode an Anode oder Kathode an Kathode.

[alfsch]

Auch Gutes Neues ! 

Und , tja, Tobi hat es auch gesehen: ein wahres Genie hat diese Schutzschaltung entworfen !
Vmtl hat der nen Dr-Titel, weil ein Techniker oder gar Ing mit etwas Ahnung von der realen Welt kann es ja wohl kaum gewesen sein.
Zwei uni-direktionale TVS anti-parallel schalten - das bescheinigt schon eine spezielle geistige Konstitution.

btw  @Tobi, > gibt es auch vorwärts eine Schaltzeit, aber die liegt normal irgendwo im einstelligen nanosekundenbereich < ,
stimmt keineswegs !
Speziell bei "dicken" Dioden ist die "forward recovery" (oder so ähnlich) ein echtes Problem , ich hab schon 30A "superfast" Dioden vorwärts gekillt !
Kommt eher überraschend, weil die Diode praktisch noch kalt ist - aber schon tot. Wenn man die Diode zb in Sperrrichtung bei 300V hat und dann recht flott nen schönen Strom in Vorwärtsrichtung drauf gibt , kann es durchaus überraschend werden.
Beispiel: eine DSEI30-06A , schöne, schnelle Diode: 600V, 30A , 300Apk,  35 ns Trr. klingt toll - und tot war sie. Hoppla. Datenblatt genau angeguckt, siehe da:
https://ixapps.ixys.com/datasheet/dsei30-06a.pdf

   
Es läuft etwa so: legt man an eine "normale" gesperrte Diode schlagartig einen (kräftigen) Vorwärts-Strom , dauert es eine Weile, bis genug Ladungsträger die Sperrschicht fluten, um den Strom zu tragen. Dabei steigt zunächst die Spannung an der Diode deutlich an, zusammen mit einem Strom , zb 50A, ergibt sich dann fast 1kW Verlust, der sich eher zufällig auf den Bereich der Fläche konzentriert, wo gerade die meisten Ladungsträger die Sperrschicht leitend machen -- und schon legiert sich hier ein Kanal durch den chip....Plopp. Ende.

Aber nun zur Schutzschaltung:
1. abgesehen von der gezeigten Schaltung, die zwischen verblödet und völlig hirnrissig angesiedelt ist, stellt sich die Frage: wieso kann der sensible Amp da sterben ? Könnte ja , abgesehen von den möglichen Vorwärts-peaks (der in dieser Hinsicht völlig unspezifizierten Dioden) , schlicht auch eine induktive Verkopplung sein, aufgrund ähnlich "genialer" Leitungsführung bzw Masse/Erdung.

2. Die Angaben : welche Spannung wird erwartet/ soll gemessen werden und in welchem Frequenzbereich fehlt; ebenso die Betriebsspannung der Röhre bzw der möglich auftretende Spannungs-peak + Strom-peak bei "Überschlag" . (Damit habe ich ja ein wenig Erfahrung, da die Inverter zur Hochspannungs-erzeugung (bis 120 kW) ja grundsätzlich mit der Beherrschung eines Überschlags erst zuverlässig funktionieren können...). Ebenso fehlt die Gesamtschaltung, zumindest der Teil der "Röhre" wäre wichtig, da "Kathode" -> Strom durch die Kathode einer Röhre -> irgend ein Widerstand oder Drossel den Strom weiterleiten muss, die "Schutzschaltung" ist ja AC gekoppelt und kann das nicht. Stellt sich die Frage nach der zu erwartenden Impedanz im Kathodenkreis .

3. Mein Vorschlag wäre eine einfache Schaltung mit ein paar Schottky-dioden, weil die haben diese Vorwärts-strom-problematik nicht.

[E_Tobi]

Heftig, danke für die Info - das war mir in der Form nicht bekannt. Unsere Dioden haben zwar normal <=15A, aber das schau ich mir trotzdem mal nochmal an.

(27.01.2024, 01:36 AM)alfsch schrieb: wieso kann der sensible Amp da sterben ?

Ich bin von einem sauberen Aufbau, aber von überfahrenen TVS ausgegangen. So einen Fall hatten wir auch vor einiger Zeit, der kontrolliert abgesenkte Strom von einem Wandler war steil genug, um über der Leitungsinduktivität eine Spannungsspitze zu erzeugen, die einfach durch die TVS gewandert ist und innen den nächsten IC gekillt hat. TVS lebendig, IC tot.
Daher der Vorschlag mit dem Serienwiderstand.

Unsauberer Aufbau ist aber auch ein heißer Kandidat...

[christianw.]

Ich werde das mal herausfinden und weitere Information bereitstellen.

Die Anwender sind Physiker, keine Elektroniker.

[christianw.]

   

   

   

Ich denke so irgendwie sind die Aufbauten. Im letzten Bild sieht man ein "FOP" im Signalweg, das wäre wohl so eine Schaltung (fast overvoltage protection).

Über den Inhalt dieser FOB konnte ich in der Publikation leider nichts finden.