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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannung an µC begrenzen


Autor: Martin (Gast)
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Hallo zusammen,

ich möchte mit einem Mikrocontroller Spannungen messen. Dazu lege ich 
Spannungen über Spannungsteiler an die ADC-Ports. Das funkioniert auch 
soweit alles.
Die Spannungen die gemessen werden sollen, gehen bis 30V. Mit dem 
entsprechenden Spannungsteiler liegen bis ca. 3V am Mikrocontroller an. 
Der Controller verkraftet maximal 3,3V.
Ich würde nun gerne die Eingänge des Controllers gegen Überspannung 
schützen. Wenn die zu messenden Spannungen doch mal 30V übersteigen, 
können ja mal ganz schnell mehr als 3,3V am Controllerport anliegen.

Hat eventuell jemand eine Idee, wie ich das anstelle könnte? Reicht 
eventuell eine Z-Diode zwischen ADC-Eingang und Masse, die die Spannung 
begrenzt? Die Diode müsste dann parallel zu einem der Widerstände des 
Spannungsteilers.

Würde das reichen?

Grüße
Martin

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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Hallo,
nimm ne BAV99 und einen genügend großen Vorwiderstand im Spannungsteiler 
(wegen dem Strom). Dann vor den uC Eingang, Abhängig von der Sample-Rate 
und dem Typ des AD-Wandlers im uC, einen OP als Impedanzwandler mit nem 
kleinen RC (100R + 100pF) am Ausgang. Funktioniert prima!

LG
M

Autor: Martin (Gast)
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Vielen Dank erst einmal für den Hinweis, aber ich weiß ehrlich gesagt 
nicht so genau, wie ich die Doppeldiode verschalten soll und wozu der RC 
zwischen Ausgang des OPs und Eingang des µC?

Autor: Martin (Gast)
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Ich habe mal auf die schnelle eine Skizze erstellt. Wie soll denn da nun 
die Diode rein?

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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Also:

Eine Diodenstrecke geht gegen die 3,3V, um Überspannungen (Größer 3,3V + 
Diodenspannung) abzuleiten. Die andere Diodenstrecke geht von GND zum 
Signal um Unterspannungen (0V - Diodenspannung) abzuleiten. Ein genügend 
großer Vorwiderstand im Spannungsteiler sorgt dafür, dass die Dioden 
keinen zu hohen Strom bei Über- oder Unterspannung verkraften müssen.

Der OP entkoppelt den Widerstandteiler der externen Beschaltung vom 
Widerstandsteiler im AD-Wandler (Abhängig vom Typ). Nicht, dass bei 
ungünstigem externem Verhältnis der Teiler im AD_Wander das externe 
Verhältnis noch beeinfußt.

Das RC-Glied im Eingang stellt für den Moment des Einlesens den Strom 
zur Verfügung, den der AD-Wandler hierfür braucht. Das RC-Glied sollte 
so nah es geht an den Pin des AD-Wandlers.

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,


vielen Dank für die ausführliche Erläuterung!


Grüße
Martin

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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:-)

Autor: ASM (Gast)
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Da habe ich mal eine Frage dazu. Der Gedankengang leuchtet mir ein. Wenn 
nun die extern angebrachte Diode aber eine leicht hoehere Flussspannung 
als die interne Diode hat, dann bringt die externe ja rein gar nix.
Waere es nicht sinnvoller die Spannung (hier 30 V) mit einer Zenerdiode 
o.ae. begrenzt zu halten?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ ASM (Gast)

>nun die extern angebrachte Diode aber eine leicht hoehere Flussspannung
>als die interne Diode hat, dann bringt die externe ja rein gar nix.

Ja, deshalb nimmt man ja ne BAV99 oder so, ist eine Schottky-Diode mit 
~0,5V Flussspannung. Die interen sind immer Siliziumdioden mit ~0,7V. 
Das reicht.

>Waere es nicht sinnvoller die Spannung (hier 30 V) mit einer Zenerdiode
>o.ae. begrenzt zu halten?

Nein, weil Z-Dioden meist keinen sonderlich scharfen Knick haben und 
damit unterhalb der Z-Spannung schon einigen (hundert) Mikroampere Strom 
fliessen.

MFg
Falk

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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Das mit der BAV99 stimmt.

Und zusätzlich zur Nichtlinearität bei den Z-Dioden, haben die oft 
parasitäre Kapazitäten, die bei hohen Frequenzen stören können.

LG
M

Autor: yalu (Gast)
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Die BAV99 ist keine Schottky- sondern eine gewöhnliche PN-Diode und
damit in diesem Fall Zierrat. Die BAT64-04 oder die BAS40-04 gehen
schon eher in die richtige Richtung.

Auch wenn es vielleicht für manche nicht ganz die feine Englische ist:
Man darf auch die internen Schutzdioden als Schutzdioden nutzen, wenn
der Strom 1mA nicht wesentlich überschreitet. Man muss dazu lediglich
den Spannungsteiler ausreichend hochohmig dimensionieren. Atmel geht
da mit gutem Beispiel und 240VAC voran, und lässt die Dioden sogar
fast ständig leiten:

  http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/...

Autor: ASM (Gast)
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Ich habe eben das Datenblatt der BAV99 angesehen und dort die 
Flusspannung von etwa 0.7 Volt gesehen. Deshalb bin ich auf die Idee 
gekommen, dass das nicht zwingend sehr gut ist. Wenn man eine Shottky 
verwendet bin ich einverstanden, dass das funktioniert.
Ich wuerde das mit den internen Schutzdioden nicht zwingend anwenden, 
wenn man den ADC gebraucht. Denn wenn man auch gegen hohe Spannungen 
geschuetzt sein will muss der Spannungsteiler sehr hochohmig werden. 
Wenn man dann schnelle signale mit hoher abtastrate wandeln will, weiss 
ich nicht ob die Kapazitaeten der Sample&Hold-Stufe nicht zu gross 
werden...
Aber wenn es nur darum geht den Nulldurchgang mit einem Interruptpin am 
uC zu erfassen wuerde ich es auch nach Atmel machen (vorausgesetzt die 
galvanische Trennung ist nicht von Noeten)

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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Nun, um in einer einfachen Schaltung einen Schutz gegen Über- und 
Unterspannung zu realisieren, sind die seriellen Dioden wirklich gut. In 
meinen Entwicklungen laufen die seit Jahren zuverlässig. Ausserdem weiß 
ich nie wirklich, wie die Dioden im Eingang eines OP's aussehen.

Bei den digitalen Eingängen nehme ich auch die internen Dioden mit 100k 
als Rv.

Um alle (analog und digital) zu schützen gegen Über- und Unterspannung 
in Form von Burst und Surge verwende ich TVS's (schreibt man so die 
Mehrzahl...?). Die gibt es ja fast täglich neu mit immer kleineren 
Kapazitäten.

Wie schon des öfteren mehrere Leute hier erwähnt haben, kommt es auf die 
Sample-Rate an umn eine optimale Lösung zu finden. Große Firmen 
beschäftigen ganze Team's von Ingenieuren mit diesem Teil einer 
Schaltung ;-)

LG M

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,


ich habe die Schaltung nun mal mit BAT64 Dioden simliert. Jetzt besteht 
das problem, dass bei Anlegen einer zu messenden Spannung von 0V am µC 
eine Spannung von ca. 30mV anliegt.

Kann man das irgendwie verhindern?

Grüße
Martin

Autor: yalu (Gast)
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Ja, Schottky-Dioden haben leider einen hohen Sperrstrom. Vielleicht 
kannst du den Spannungteiler niederohmiger machen, die BAT64 verträgt 
immerhin 250mA Dauerstrom. Bis 50mA dürfte die Durchlassspannung noch 
deutlich niedriger als die der integrierten Schutzdioden sein.

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Was für einen grund gibt es denn sich nicht zu 100% auf die internen 
Schutzdioden zu verlassen? Wenn der Spannungsteiler hochohmig genug ist, 
dann können selbst einige 100 Volt über den Teiler anliegen ohne das was 
passiert.

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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Gegen die Internen spricht gar nichts...wenn sie denn vorhanden sind. 
Hast du das mit nem OP simuliert?

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,,
ich habe das mit dem OP simuliert. Also Schutzdioden, Op, RC. Wenn dann 
am Spannungsteiler eine zu messende Spannung von 0V anliegt, liegt 
hinter den Schutzdioden, am EIngang des OP ca 30-40mV an.

Grüße
Martin

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Martin (Gast)

>ich habe das mit dem OP simuliert. Also Schutzdioden, Op, RC. Wenn dann
>am Spannungsteiler eine zu messende Spannung von 0V anliegt, liegt
>hinter den Schutzdioden, am EIngang des OP ca 30-40mV an.

Wenn du einen OPV als Puffer einstetzt, kannst du auch Siliziumdioden 
nehmen, die haben um Grössenordungen weniger Sperrstrom.

MFG
Falk

Autor: Martin (Gast)
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Das bringt nicht wirklich viel. Egal welche Diode ich verwende, ich habe 
immer etwas mehr wie 20mV Offset.

Kann man diesen irgendwie eleminieren?

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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Zeig mal die Schaltung, ich könnte die auch mal Simulieren...mal 
sehen...

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,

hier habe ich mal meine Schaltung.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Martin (Gast)

>Dateianhang: sch.png (10 KB, 0 Downloads)

Das 1MEG ist bissel viel, mit welchen riesigen Spannugnen rechnest denn 
du?
Wir wissen nicht, wie die Modelle der Bauteile aufgebaut sind und ob da 
nciht Worst Case Werte eingestellt sind.

Die BAT48 hat zwische 1..50uA Sperrstrom, WOW!
Eine 1N4448 zwischen 25nA..3uA.

Lass einfach den 1M weg.

MFG
Falk

Autor: Arno H. (arno_h)
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Warum setzt du die Dioden nicht vor R4?
R4 ist imho zu hoch, 1MOhm und 100nA max Eingangsstrom sind 100mV. 10k 
sollten hier reichen, wenn die Dioden auf der niederohmigen Seite 
sitzen.

Arno

Autor: Micha (Gast)
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Die BAT54S ist für sowas (als Ersatz zur BAV99) auch ganz gut. Wobei in 
diesem Fall die 30V etwas knapp sein dürften...

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,

vielen Dank. So funktioniert es nun.

Vielen Dank.

Autor: Michael G. (sparrenburg)
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Also ohne den 1Meg-Widerstand siehts bei mir gut aus.

M

Autor: Martin (Gast)
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Hallo,

ich habe den auch raus geschmissen. Dan funktioniert es prima. Mit 10k 
anstatt 1Meg funktioniert es auch gut.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Micha (Gast)

>Die BAT54S ist für sowas (als Ersatz zur BAV99) auch ganz gut. Wobei in
>diesem Fall die 30V etwas knapp sein dürften...

Nein, denn die Dioden sehen max. die Betriebsspannung des OPV als 
Sperrspannung.

MFG
Falk

Autor: yalu (Gast)
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> Das bringt nicht wirklich viel. Egal welche Diode ich verwende, ich
> habe immer etwas mehr wie 20mV Offset.

Die 20mV waren allein schon durch den Eingangsruhestrom des LM324
(typ. 20nA, max. -250nA) in Verbindung mit dem 1M-Widerstand
erklärbar. Da hat es den Diodensperrstrom gar nicht gebraucht :)

Aber die 1M sind wirklich viel zu viel (wie schon einige geschrieben
haben), es sei denn, du willst die Schaltung bis 100kV schützen ;-)

> ich habe den auch raus geschmissen. Dan funktioniert es prima. Mit
> 10k anstatt 1Meg funktioniert es auch gut.

Du kannst R1, R2 und R4 auch zu zwei Widerständen zusammenfassen,
indem du R4 weglässt und R1 und R2 entsprechend vergrößerst. Die
Wirkung ist bei richtiger Dimensionierung exakt dieselbe.

Autor: Buddler B. (buddler) Benutzerseite
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Ich habe eine Schaltung ähnlich der von Michael G. (sparrenburg) zum 
Schutz des ADC-Eingangs gemacht, allerdings ohne OP und C.
D.h. also nur ein Vorwiderstand und Dioden zwischen Signal und Masse, 
sowie Signal und VCC. VCC liegt bei 3,3V, jedoch wird Signal nicht bei 
3,3 V sondern bei 3,7 V begrenzt, also 3,3 V + Diodenspannungsabfall.
Bis jetzt hat der µC das ausgehalten, aber was kann ich auf Dauer tun?
(µC ist AVR32 UC3A1512)
Hält der µC das aus?
Soll ich doch lieber eine Zener-Diode zwischen Masse und Signal setzen, 
die dann eben bei 2,5 V leitet und damit die Signalbreite von 0...3,3 
auf 0...2,5V begrenzt?
(Zum testen habe ich leider nichts zur Verfügung)

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn man externe Dioden gegen VCC und GND als zusätzlichen Schutz nimmt, 
dann sollte man den ADC Eingang noch einmal mit einem Serienwiderstand 
von etwa 1 K Trennen. Vor dem 1 K Widerstand ist man dann höchstens um 
etwa 0,7 V außerhalb der Versorgungsspannung, selbst wenn man normale 
Dioden nimmt. Der Widerstand begrenzt dann den Strom der ggf. noch durch 
die internen Schutzdioden fließt auf unter 0,2 mA.


Die Zenerdioden, gerade für nur 3 V haben einen recht weichen Übergang 
udn eine relativ hohe Kapazität. Da ist die Lösing mit den Dioden 
besser. Alternativ kann man an der VCC Seite sich auch mit einer 
Zenerdiode oder einem TL431 oder ähnlichem auch eine Hilfsspannung etwas 
unter VCC erzeugen um die positive Spannung aufzunehmen. So kannman 
verhindern dass die externe Spannung VCC zu sehr erhöht.

Nur Normale Diode sind kein guter Schutz. Denn bei VCC+0,7 V kann die 
interen Diode schon zu viel Strom kriegen. Da sind die AVRs recht 
schwach im VErgleich zu z.B. der 74HC... Serie. Zu viel Strom durch die 
Schutzdioden kann einen Latchup und damit heftigen Schaden auslösen.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Man kann auch zwei antiseriell geschaltete n-depletion MOSFETs nehmen, 
die einen gemeinsamen Arbeitswiderstand zur Stromeinstellung haben. 
Vorteile:
1. hohe Spannungen bis ca. 500V möglich
2. keine Offsetprobleme, da Strom praktisch immer gleich groß.


Gruß -
Abdul

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