Labortagebuch Dezember 2020
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Mythos Temperaturempfindlichkeit von Jürgen Heisig
An den Mythos der Hitzeempfindlichkeit von Halbleiern habe ich auch lange geglaubt - und mich immer gefragt, wie man denn dann die Chips herstellt. Ich hänge dazu mal einen Artikel aus "radio electronics" an, die Ausgabe weiss ich leider nicht. Eigene Versuche bestätigten den Artikel vollständig. Selbst Transistroren in Kunsstoff kann man oft bis zur Unkenntlichkeit "verkokeln" - nach Abkühlung sind sie fast immer wieder funktionsfähig. ALLERDINGS: die Kennwerte verändern sich oft (tlws. dramatisch).
Das erklärt einerseits diesen Mythos - andererseits aber auch die Ergebnisse von YouTubern, die SMD-Chips gerne mal mit 400° und mehr von eine Platine "braten". Anschließend werden sie ähnlich brachial wieder aufgelötet - und funktionieren Einen weitern Anteil am Mythos haben sicher auch durch Hitze gelöste Bondings - das kann man aber nicht dem Halbleiter anlasten.
Mir ist
ein Power-FET IRF520 kaputtgegangen. Da wollte ich mal sehen, wie er innen
aussieht. Das Plastik war zunächst so widerstandsfähig, dass ich mit der Zange
nichts ausrichten konnte. Dann habe ich den niederohmig gewordenen Transistor
mit dem Labornetzteil maximal aufgeheizt. In dem Zustand ist es mir gelungen,
das Gehäuse mit der Zange abzusprengen. Nun konnte ich sehr schön den
aufgelöteten Chip sehen. Dabei kam gleich die nächste Frage auf: Wie kann man
den relativ temperaturempfindlichen Chip auflöten, wird da vielleicht ein besonderes
Lötzinn eingesetzt? Zum Test habe ich den ganzen Transistor mit dem
Lötkolben erwärmt, bis ich den Chip abnehmen konnte. Und der Si-Chip ist auf
der Rückseite weiterhin gut verzinnt. Wikipedia weiß mehr darüber, die
Rückseite wurde metallisiert und dann mit Weichlot verbunden: https://de.wikipedia.org/wiki/Chipbonden
Mythos Temperaturempfindlichkeit von Jürgen Heisig
An den Mythos der Hitzeempfindlichkeit von Halbleiern habe ich auch lange geglaubt - und mich immer gefragt, wie man denn dann die Chips herstellt. Ich hänge dazu mal einen Artikel aus "radio electronics" an, die Ausgabe weiss ich leider nicht. Eigene Versuche bestätigten den Artikel vollständig. Selbst Transistroren in Kunsstoff kann man oft bis zur Unkenntlichkeit "verkokeln" - nach Abkühlung sind sie fast immer wieder funktionsfähig. ALLERDINGS: die Kennwerte verändern sich oft (tlws. dramatisch).
Das erklärt einerseits diesen Mythos - andererseits aber auch die Ergebnisse von YouTubern, die SMD-Chips gerne mal mit 400° und mehr von eine Platine "braten". Anschließend werden sie ähnlich brachial wieder aufgelötet - und funktionieren Einen weitern Anteil am Mythos haben sicher auch durch Hitze gelöste Bondings - das kann man aber nicht dem Halbleiter anlasten.
15.12.20: AC-gesteuerter Transistor
2 V/Skt
Wenn man einen Transistor ohne Basisvorspannung kapazitiv ansteuert, wird sich im Normalfall die Basis so weit negativ aufladen, dass er komplett sperrt. Anders sieht es aus, wenn die Ansteuerspannung größer ist als die Durchbruchspannung der BE-Diode. Das Oszillogramm zeigt diesen Fall. Die Spannung wurde bei -8 V begrenzt. Dadurch kann die Basisspannung immer wieder bis + 0,7 V ausgesteuert werden und den Transistor leitend steuern.
Diese Art der Ansteuerung verwende ich gern mit Darlington-Schaltungen zur Anzeige elektrischer Wechselfelder. Der Basisanschluss selbst bildet dann einen Kondensator mit dem umgebenden Raum. Die offene Basis wird zum Elektrofeldsensor. Das funktioniert nur, weil es den ersten Durchbruch der BE-Diode gibt.
Nun hat Andreas Thaler in einer Simulation der Schaltung ein Detail entdeckt, das ich erst nicht glauben konnte. Die Kollektorspannung steigt phasenweise über die Betriebsspannung an! Irgendwann ist mit eingefallen, dass die Kapazität der BC-Diode so etwas bewirken kann. Es ist nur schwer zu beobachten, weil man dazu ein unendlich hochohmiges Messgerät braucht, wie es in der Simulation ja vorhanden ist. Deshalb habe ich diesen Versuch nun mit einer höheren Frequenz von 50 kHz nachgestellt. Damit kann ich den Effekt auch bei einem Innenwiderstand der Messspitze von 10 MOhm sehen.
1 V/Skt
Nun sieht man deutlich die Leitungsphase, in der die Kollektorspannung bis fast 0 V sinkt. Und kurz vor der Leitungsphase gibt es tatsächlich einen deutlichen Anstieg der Kollektorspannung, der nur durch die Kollektor-Basis-Kapazität erklärbar ist. Im Zwischenbereich gibt es noch eine kleine Stufe, die wohl ebenfalls durch die BC-Kapazität verursacht wird. Solange die Basisspannung noch steil abfällt, zieht dieser kleine Kondensator die Spannung etwas herunter. Solange aber die Basisspannung konstant bei -8 V steht, fließt kein Ladestrom mehr.
Simulation mit LTspice von Jürgen Heisig
Dieser interessante Effekt ist in LTSpice in der Grundschaltung mit BC547C kaum wahrnehmbar, aber: Wenn man einen C parallel zur BC-Diode schaltet, wird es überdeutlich - bei 1n gehen die Spitzen bis 9,9V. Das bestätigt Ihre Vermutung, dass die Ursache bei der Kapatität BC liegt. Damit hängt der reale Effekt natürlich stark vom verwendeten Transistor ab.
Alles was mit Durchbrucheffekten zu tun hat, kann LTSpice nicht direkt simulieren. Bisher habe ich auch noch kein Modell gefunden, welches das irgendwie nachbildet.
2 V/Skt
Wenn man einen Transistor ohne Basisvorspannung kapazitiv ansteuert, wird sich im Normalfall die Basis so weit negativ aufladen, dass er komplett sperrt. Anders sieht es aus, wenn die Ansteuerspannung größer ist als die Durchbruchspannung der BE-Diode. Das Oszillogramm zeigt diesen Fall. Die Spannung wurde bei -8 V begrenzt. Dadurch kann die Basisspannung immer wieder bis + 0,7 V ausgesteuert werden und den Transistor leitend steuern.
Diese Art der Ansteuerung verwende ich gern mit Darlington-Schaltungen zur Anzeige elektrischer Wechselfelder. Der Basisanschluss selbst bildet dann einen Kondensator mit dem umgebenden Raum. Die offene Basis wird zum Elektrofeldsensor. Das funktioniert nur, weil es den ersten Durchbruch der BE-Diode gibt.
Nun hat Andreas Thaler in einer Simulation der Schaltung ein Detail entdeckt, das ich erst nicht glauben konnte. Die Kollektorspannung steigt phasenweise über die Betriebsspannung an! Irgendwann ist mit eingefallen, dass die Kapazität der BC-Diode so etwas bewirken kann. Es ist nur schwer zu beobachten, weil man dazu ein unendlich hochohmiges Messgerät braucht, wie es in der Simulation ja vorhanden ist. Deshalb habe ich diesen Versuch nun mit einer höheren Frequenz von 50 kHz nachgestellt. Damit kann ich den Effekt auch bei einem Innenwiderstand der Messspitze von 10 MOhm sehen.
1 V/Skt
Nun sieht man deutlich die Leitungsphase, in der die Kollektorspannung bis fast 0 V sinkt. Und kurz vor der Leitungsphase gibt es tatsächlich einen deutlichen Anstieg der Kollektorspannung, der nur durch die Kollektor-Basis-Kapazität erklärbar ist. Im Zwischenbereich gibt es noch eine kleine Stufe, die wohl ebenfalls durch die BC-Kapazität verursacht wird. Solange die Basisspannung noch steil abfällt, zieht dieser kleine Kondensator die Spannung etwas herunter. Solange aber die Basisspannung konstant bei -8 V steht, fließt kein Ladestrom mehr.
Simulation mit LTspice von Jürgen Heisig
Dieser interessante Effekt ist in LTSpice in der Grundschaltung mit BC547C kaum wahrnehmbar, aber: Wenn man einen C parallel zur BC-Diode schaltet, wird es überdeutlich - bei 1n gehen die Spitzen bis 9,9V. Das bestätigt Ihre Vermutung, dass die Ursache bei der Kapatität BC liegt. Damit hängt der reale Effekt natürlich stark vom verwendeten Transistor ab.
Alles was mit Durchbrucheffekten zu tun hat, kann LTSpice nicht direkt simulieren. Bisher habe ich auch noch kein Modell gefunden, welches das irgendwie nachbildet.
1.12.20:
Latchup-Sicherheit eines Mikrocontrollers
Wenn man eine höhere Spannung als die Betriebsspannung auf einen Mikrocontroller-Eingang legt, fließt ein Strom durch die zugehörige Schutzdiode. Wenn dieser zu groß wird, kann es zu einem Latchup-Effekt kommen, wobei ein parasitärer Thyristor zündet. Dabei kann es zu einem Absturz kommen, oder im schlimmsten Fall kann der Controller zerstört werden. Jeder Controller hat einen noch sicheren Strom, den man über die Schutzdiode ableiten darf. Bei Nuvoton steht allerdings nichts darüber in den Datenblättern. Deshalb wollte ich es selbst testen. Dazu habe ich ein Programm in den Controllern geladen, mit dem ich an P02 ein Rechtecksignal beobachten konnte. Der (digitale und analoge) Eingang P05 sollte gequält werden. Einen Absturz oder einen Latchup-Effekt könnte ich dann direkt am Oszi beobachten.
Für den Test lade ich einen Elko mit 1000 µF auf 10 V auf und entlade ihn über einen Widerstand auf den Port P02. Am Oszi sehe ich, dass die Betriebsspannung kurz auf 5 V hoch geht. Es bleibt also ein Impuls mit einer Spannung von 5 V über dem Testwiderstand. Der Widerstand wurde bis auf 47 Ohm verkleinert. Das bedeutet einen Ableitstrom von 100 mA! Bis zu diesem Strom konnte kein Latchup beobachtet werden. Noch weiter wollte ich nicht gehen, um den Controller nicht zu zerstören. In der Praxis würde ich niemals über 10 mA gehen.
Wenn man eine höhere Spannung als die Betriebsspannung auf einen Mikrocontroller-Eingang legt, fließt ein Strom durch die zugehörige Schutzdiode. Wenn dieser zu groß wird, kann es zu einem Latchup-Effekt kommen, wobei ein parasitärer Thyristor zündet. Dabei kann es zu einem Absturz kommen, oder im schlimmsten Fall kann der Controller zerstört werden. Jeder Controller hat einen noch sicheren Strom, den man über die Schutzdiode ableiten darf. Bei Nuvoton steht allerdings nichts darüber in den Datenblättern. Deshalb wollte ich es selbst testen. Dazu habe ich ein Programm in den Controllern geladen, mit dem ich an P02 ein Rechtecksignal beobachten konnte. Der (digitale und analoge) Eingang P05 sollte gequält werden. Einen Absturz oder einen Latchup-Effekt könnte ich dann direkt am Oszi beobachten.
Für den Test lade ich einen Elko mit 1000 µF auf 10 V auf und entlade ihn über einen Widerstand auf den Port P02. Am Oszi sehe ich, dass die Betriebsspannung kurz auf 5 V hoch geht. Es bleibt also ein Impuls mit einer Spannung von 5 V über dem Testwiderstand. Der Widerstand wurde bis auf 47 Ohm verkleinert. Das bedeutet einen Ableitstrom von 100 mA! Bis zu diesem Strom konnte kein Latchup beobachtet werden. Noch weiter wollte ich nicht gehen, um den Controller nicht zu zerstören. In der Praxis würde ich niemals über 10 mA gehen.