www.mikrocontroller.net

Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Eingangsschutzbeschaltung


Autor: Tilo (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo

Ich will eine Schaltung entwickeln. Die Stromversorgung erfolgt über 
eine Batterie

Die Schaltung hat zwei analoge Eingänge und ein analoger Ausgang. Diese 
müssen gegen Überspannung geschützt werden. Das Problem: Bei einem 5kV 
Impuls mit einer Energie von bis zu 400J dürfen die Eingänge nicht 
einfach kurz geschlossen werden. Der Strom durch die Schaltung muss 
begrenzt werden.
Für die Strombegrenzung wollte ich Hochspannungsfeste Widerstände mit 
ca. 400k verwenden. Die 400k ergeben sich darauf, dass der maximale 
Stromfluss im uA liegen soll. Den eigentlichen Überspannungsschutz 
wollte ich zwischen Begrenzungswiderstand und Ein- bzw. 
Ausgangsverstärker schalten. Problematisch ist hierbei, dass die 
Kapazität des Überspannungsschutz zusammen mit dem Schutzwiderstand 
einen Hochpass bildet. Ich habe berechent, dass die Kapazität des 
Überspannungsschutz nicht über 5pF liegen darf.

Genau hier fangen meine Probleme an. Thyristoren, Varistoren, .... haben 
alle eine zu hohe Kapatität. Kennt jemand vielleicht eine geeignete 
TVS-Diode? Die, die ich gefunden habe, haben leider auch eine viel zu 
hohe Kapazität, welche von der Eingangsspannung abhängt 
(Sperrschichtkapazität).

Als Alternative habe ich mir überlegt, BAV199 Dioden gegen beide 
Versorgungsspannungsleitungen zu schalten. Nur wie geht es dann weiter? 
Die Schutzbeschaltung soll doch dafür sorgen, dass in den Halbleitern 
etc. keine zu großen Potentialdifferenzen entstehen. Dadurch, dass die 
Hochspannung mit auf die Versorgungsspannung gegeben wird, verkleinert 
sich die Potentialdifferenz im Verstärker. Nur wie geht es dann weiter? 
Da das Gerät per Batterie versorgt werden soll, kann die Ladung nicht 
gegen Erde abfließen. Meine Überlegung war daher, die BAV199 gegen beide 
Versorungsspannungen zu legen. Über die Spannungsregeler will ich 
ebenfalls eine Diode legen, damit an diesem keine Potentialdifferenz 
anliegt. Damit das Potential zwischen Plus und Minus nicht zu groß wird, 
wollte ich zwischen beide eine TVS-Diode legen. Hier stört die Kapazität 
nicht. Könnte das ganze so funktionieren?

Kennt jemand zu dem Thema gut Literatur, die ich mir anschauen könnte?


Viele Grüsse,

Tilo

Autor: Ben (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
400 joule sind 400 wattsekunden. also 400 watt eine sekunde lang, 4000 
watt eine zehntelsekunde lang. das ist bei 5kv fast ein ampere, also 
nichts mit strömen im µA bereich!

Autor: MaWin (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Als Alternative habe ich mir überlegt, BAV199 Dioden gegen beide
> Versorgungsspannungsleitungen zu schalten.

Du liegst ziemlich richtig.

http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23

Hinter der BAV(1)99 kommt noch ein Widerstand zum IC, wenn es ein 
A/D-Wandfler ist mit maximal 10k. Er verhindert, dass bei 0.7V (0oder 
bis 1V) Überspannung wegen der Flussspannung der Diode zu viel Strom 
durch die Schutzdioden des ICs fliesst.

Wie verhinderst du Überspannung in VCC wohin der Eingangsstrom 
abgeleitet wird? 5kV 400k -> 12.5mA, du musst nur 12.5mA verbrauchen. 
EInen Teil davon wird deine Schaltung bereits verbrauchen, aber wenn das 
weniger als 12.5mA sind, steigt die Spannung an VCC, und eine Batterie 
darf nicht geladen weden. Oder doch? Alkali-Mangan würde die 12.5mA 
locker überstehen, und dambei sogar ein wenig geladen werden und hält 
die Spannung konstant. Vor Überladung wird man ja wohl nicht schützen 
müssen.

Wenn aber die Batterie/der Akku über eine Diode als Verpolschutz 
angeschlossne ist, oder ein Spannungregler folgt, muss man die 12.5mA 
selbst ableiten. Dafür tut es eine Z-Diode/TVS oder sonstiger 
Überspannungsschutz, der knapp oberhalb der normalen Betriebsspannung 
eingreifen soll, notfalls ein TL431 damit es exakt genug wird.

An VCC stört die Kapazität nicht mehr, an der Signalleitung liegt nur 
die BAV.

Autor: Tilo (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Schon klar. Das ganze soll etwas EKG-ähnliches werden und ich hätte es 
gerne (auch wenn es nicht nötig sein wird) defibrilator-fest gemacht. 
Die großen Eingangwiderstände begrenzen den Stromfluss durch meine 
Schaltung ausreichend. I=U/R=5kV/2*400k=6,25mA.

Das mit den uA habe ich ein wenig durcheinander gebracht. Die gelten nur 
bei "normaler" Spannung, z.B. wenn eine der Leitungen in die Steckdose 
gesteckt wird.

Autor: Tilo (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Vielen Dank MaWin.

Zwischen Batterie und Schaltung liegt ein Spannungsregeler (genauer 
gesagt mehrere Parallel für 5V und 2x3V3).

Dein letzter Absatz ist mir noch nicht so ganz klar, wie die Spannung 
abgeleitet werden soll. War mein Ansatz mit der TVS-Diode zwischen Vcc 
und Vee richtig?

Viele Grüße,

Tilo

Autor: Gast (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hehe, kommt mir bekannt vor :-) UU?

Mal ne blöde Frage, sind die BAV(1)99 nicht viel zu langsam? sollte man 
da nicht lieber Schottkys oder spezielle TVS Dioden nehmen?

Autor: MaWin (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> War mein Ansatz mit der TVS-Diode zwischen Vcc und Vee richtig?

Ja.

Deine Bauteile sind z.B. für 5V +/-0.25V und halten bis 7V aus.
Dann brauchst du eine Z-Diode oder TVS, die zwischen 5.25V und 7V aktiv 
wird. Für TVS sind das recht niedrige Toleranzen, daher kann eine TL431 
eingestellöt auf 5.5V sinnvoll sein (sind ja nur maximal 12.5mA).

Autor: Anja (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

Deine Überlegungen mit BAV199 sind prinzipiell richtig.
Wichtig ist halt daß die TVS-Diode dann direkt am Eingang Deiner 
Schaltung bei den BAV199 sitzt. Ein Keramik-Kondensator kann auch helfen 
die Störungen verträglicher zu gestalten.

es gibt auch Low-Capacity TVS-Dioden. z.B. hier:
http://www.semtech.com/products/circuit_protection...

Im Prinzip sind dies TVS-Dioden bei denen eine normale Diode in Reihe
(Bei Bidirektionalen TVS-Dioden 2 antiparallele Dioden in Reihe) zur 
TVS-Diode geschaltet ist.
Suche mal nach "ESD protection USB"

Für differentielle Signale (CAN) habe ich auch schon gesehen daß ein 
Brückengleichrichter zusammen mit einer unidirektionalen TVS verwendet 
wurde um Überspannungen abzuleiten.

Es gibt neuerdings auch Polymer-Überspannungsableiter. (z.B. Raychem 
Tyco)
Hier gibt es auch Typen deutlich unter 1pF. Die Teile verhalten sich 
allerdings eher wie eine Gasentladungslampe, haben also eine 
Zündspannung die deutlich höher liegt als die 
Brennspannung/Nennspannung.

Autor: X- Rocka (x-rocka)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
gib mal bei farnell "esd 0603" in die suche ein.
da gibt's überspannungsschutz mit <1pF.

Autor: Tilo (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@Anja:

Danke für die Tips. Mit ESD hatte ich bisher eigentlich nichts zu tun. 
Da sich der Strom immer den kürzesten Weg sucht, wollte ich die 
Schutzdioden so nah wie möglich anordnen.

Die Idee mit dem Brückengleichrichter hat etwas. Meine beiden Eingänge 
sind auch differnziell und die Spannungsdiffernz sollte unter 0,7V 
liegen.

Die Polymer-Überspannungsableiter hören sich auch nett an. Muss mal 
schaun, wie schnell die Teile sind.

@X- Rocka

Bei Farnell habe ich mich schon durchgewühlt und bisher nicht viel 
gefunden (Ich denke da braucht man auch ein wenig Übung für). Ich habe 
mit deinem Suchhinweis drei Typen gefunden. Diese werden aber erst 
zwischen 35V bis 60V leitend. Die Eingangsstufe des verwendeten OP hat 
bereits Schutzdioden gegen Vcc und Vee. aus dem Datenblatt habe ich den 
Hinweis, dass man je nach Anforderung zusätzliche BAV199 verwenden soll. 
Meine Befürchtung ist nun, dass der Verstärker stirbt, bevor die TVS 
leitend werden. MaWin hat den Tip gegeben, den Eingang des Verstärker 
mit 10k Ohm in Serie zu schützen. Ich denke der Ansatz passt, allerdings 
werde ich das ganze noch durchrechnen.


Danke für eure Tips,

Tilo

Autor: ronny (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

bei meinem EKG-Verstärker habe ich am Eingang TVS-Dioden + 
Serienwiderstände und danach als 2.Stufe die Schaltung nach:
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Gruss Ronny

Autor: Kai Klaas (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Tilo,

Was verwendest du denn für OPamps an den Eingängen und am Ausgang? Und 
wie ist der Eingangswiderstand der Schaltung (-> Leckströme der 
Schutzdioden!)

Wie lange dauert so ein 5kV Impuls? Eventuell kannst du den Ableitstrom 
in den Elko am Ausgang des Spannungsreglers hineinlaufen lassen?
Außerdem, wenn der Impuls relativ lange ist, kann das kritisch für 
deinen 400k Widerstand werden! 5kV^2 / 400k = 62,5W immerhin.

>Meine Befürchtung ist nun, dass der Verstärker stirbt, bevor die TVS
>leitend werden.

Unwahrscheinlich, da TVS wirklich sehr schnell sind. Außerdem kann der 
Kondensator parallel zum TVS ebenfalls schnelle Spitzen aufnehmen, 
selbst wenn der TVS nicht schnell wäre.

Wohin fließen eigentlich die 5kV? Vielleicht ist es besser, die meiste 
Energie erst mal um die Schaltung herumzuleiten und mit deinen Dioden 
nur einen Feinschutz zu realisieren?

Kai Klaas

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.