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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Schutzdioden für AD-Wandler


Autor: Andreas Wiese (Gast)
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Hallo zusammen,

ich weiß das Thema wurde schon des öfteren behandelt, aber irgendwie
fehlt mir noch was.
Für den Überspannungsschutz des AD-Wandlers wurde hier des öfteren von
einer Z-Diode abgeraten, weil die zuviel Strom bei höheren Spannungen
zieht, und das Messergebnis verfälscht.
Als Alternative wurde eine Schottky-Diode zur Versorgungsspannung
genannt. Nun meine Frage: Schottky-Dioden sind zwar sehr schnell, haben
aber einen hohen Sperrstrom (bei der öfters genannten BAT85 z.B. ca. 0,1
µA bei 5V), der ja im normalen Betrieb, also ohne Überspannung, fließen
kann. Bei einem Eingangsstrom des Wandlers von etwa 3µA ist das doch
schon ein Fehler von 3%, oder sehe ich das falsch.

Gibt es da noch besser geeignete Dioden?

Gruß
Andreas

Autor: Gerhard Gunzelmann (Gast)
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Hallo Andreas

Wenn Du eine genaue Messung haben willst, solltest Du auf diese Dioden
verzichten. Ich weiß nicht welchen uC oder ADC Du verwendest, aber Du
kannst einen Längswiderstand in die Leitung zum A/D-Wandler einbauen.
Die meisten Bauteile schützen sich selbst, das heißt sie haben bereits
solche Schutzdioden zwischen analog In und Ihren Stromversorgungspins
eingebaut. Die halten nur nicht alszu viel Strom aus. Manche Entwickler
bauen da schon mal Widerstände mit ein paar KOhm ein, das hat aber auch
mal negative Auswirkungen auf die Wandelzeit. Hier muß mal halt
Kompromisse machen. Wenn diese Dioden nicht da sind, gibt's die
Möglichkeit den Eingang durch vorgeschaltete OP's zu schützen. Die
Schaltung wird dadurch oft aufwendig, da die OP'S dann auch mal ne
aufwendige Spannungsversorgung brauchen (auch Rail-to-Rail OP'S
brauchen eine etwas größere Spannungsversorgung als das zu
verarbeitende Signal)


Gruß
Gerhard

Autor: Andreas Wiese (Gast)
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Zu meiner Schaltung: Also ich verwende den internen AD-Wandler des Texas
TMS320F2812 zur Strommessung mit einem Gleichstromwandler. Dieser hat
einen passenden Spannungsausgang, der bei meinem Nennstrom 2,9V bei
max. 12,5 mA liefert, also kein Problem für den 3V Eingang des
Wandlers. Problematisch wird es, wenn am Ausgang ein Kurzschluss
anliegt. Die Leistungselektronik ist dafür geschützt und den Wandler
stört es auch nicht, allerdings können dann am AD-Eingang bis zu 5V
anliegen, die ihn zerstören würden.
Davor will ich ihn halt bestmöglich schützen, natürlich mit möglichst
wenig Verfälschung des Messergebnisses.

Autor: Andreas Wiese (Gast)
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Habe gerade eine andere Idee. Meine Nutzspannung liegt zwischen 0,5 und
2,9V, darüber und darunter muss ich nicht mehr messen, sondern es darf
nur nichts zerstören.
Wie genau wäre das, wenn ich zwischen meinen Gleichstromwandler und den
ADC einen rail to rail OP setzen würde, den ich mit 3,3V versorge? hat
da schonmal jemand Erfahrungen gesammelt?
Der Schutz regelt sich ja über den OP selbst, und mit 5V am Eingang
dürfte der OP doch keine Probleme haben, oder?
Was haltet ihr von der Idee?

Autor: Gerhard Gunzelmann (Gast)
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Hallo

die Idee ist ok, aber wie ich oben schon geschrieben habe, gibt's
geringe Fehler wenn das Signal dicht an die Stromversorgung der OP's
gerät. Bei einer Versorgung mit 3,3 Volt, schafft der OP am Ausgang
irgendwas mit 3,3Volt-x, wobei x mindestens mit 20mV zu veranschlagen
ist und mit steigender Last größer wird. Also genaugenommen müßtest Du
für ein Siganl von 0..3,3 Volt den OP mit ca -0,1 Volt bis +3,4Volt
versorgen, damit Du an den "Rändern" des Signalbereichs keine
Verfälschungen/Fehler bekommst.

Gerhard

Autor: crazy horse (Gast)
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damit verlagerst du das Problem nur vom direkten A/D-Eingang des MC zum
OP-Eingang. Der MC ist dann sicher gut geschützt, der OP nicht. Es sei
denn, du nimmst explizit einen Typ, der für Eingangsspannungen >
Betriebsspannung geeignet ist.

Autor: Andreas Wiese (Gast)
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Also brauch ich wohl doch ne Diode, weil der Kurzschlussfall
ausdrücklich abgedeckt sein muss.
Gibt es denn da keine optimalen Lösungen?
Werd ich wohl mal nach einer Diode mit geringer Durchlassspannung und
geringem Rückwärtsstrom suchen müssen.

Autor: Jürgen Schuhmacher (Gast)
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"... sie haben bereits solche Schutzdioden zwischen analog In und Ihren
Stromversorgungspins eingebaut."

In der Tat und um deren Einfluss auf das Ergebnis zu kompensieren,
besorgt die interne Architektur des Chips bei guten ADCs eine
Korrektur- im einfachsten Falle durch den vorgeschalteten
Verstärkungsfaktor des Eingangs-OPs.

Andererseits: Wenn Du ein ADC-Design effizient nutzen willst, und nicht
nur "geradeaus" baust, musst Du das System entweder analog justieren
oder das ADC-Ergebnis postprozessieren, d.h. per z.B. Software
korrigieren. Dazu ist eine Kalibrierung nötig und genau diese erschlägt
dann nicht nur die üblicherweise schon vorliegenden Toleranzen in der
Steilheit und der Verschiebung des ADC (GAIN / OFFSET), sondern eben
auch den Einfluss der äusseren Beschaltung. Also keine Angst vor
Schutzbeschaltungen: Die Software macht alles nett :-)

Es gibt sogar Sarkastiker, die nachweisen, daß eine derartige
Kalibrierung NUR aufgrund von Schutzdioden nötig ist, die der Anwender
hinzufügt und der Chip-Hersteller nicht kennt (also auch nicht
antizipierend kompensieren kann). Ergo schafft ein gutes und
vorsichtiges Hardwaredesign überraschenderweise Arbeitsplätze für
Softwerker!

Autor: Andreas Wiese (Gast)
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Ich habe nochmal genauer im Datenblatt nachgeschaut.
Also der AD-Wandler hat auch eingebaute Clamping-Dioden, die können
einen Dauerstrom von 2mA ab. Trotzdem steht bei den Absolute Maximum
Ratings eine Spannung von Vin max. 4,6V. Haben diese Dioden nur so
wenig spannungsfest? Ich hatte eigentlich gedacht, wenn ich den Strom
begrenze, kann eine höhere Spannung nichts tun. Scheinbar ist das nicht
so.
Dann werde ich wohl auch auf die genannte BAT85 zurückgreifen, und im
Notfall per Software korrigieren.

Autor: Gerhard Gunzelmann (Gast)
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Hallo,

also eine softwaremässige Kalibrierung erscheint mit problematisch, da
der Fehlerstrom, der von Schutzdioden verursacht ist,
temperaturabhängig ist. Um langzeitstabile Systeme zu bauen, hilft es
nur präzise Bauteile mit geringen Drifts zu verwenden und die
Schutzbeschaltung wie oben beschrieben ohne Dioden und mit
Lämgswiderstand zu bauen. Eine Kalibrierung wirft mehr Probleme auf als
sie löst. Um eine besonders hohe Genauigkeit zu erreichen kann man zwar
eine intelligente Kalibrierung über Referenzdioden und eine
Selbtskalibrierung per Software einbauen (Chopperverstärker-Prinzip)
aber es stellt sich die Frage ob das auch notwendig ist. Man kann das
ja mal ausprobieren. Einmal ein Messsystem mit Dioden und einmal ohne
Dioden aber mit Längswiderstand. Das Problem dabei ist nur die Energie
die hinter der Überspannung steht. Es sind auch noch andere Systeme
denkbar, wie z.B. Überwachung der Eingangsspannung mittels Komparator.
Aber der Aufwand ! Aber, um zum Schluß zu kommen, man stelle sich
zuerst mal die Frage wieviel Fehler man seinem System zubilligen kann
und will.

Gerhard

Autor: Andreas Wiese (Gast)
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Wenn ich das richtig verstehe meinst du ja auch, die eingebauten
Clamping-Dioden müssen nur gegen zu hohen Strom, also mit einem
Widerstand geschützt werden. Dachte ich ja eigentlich auch, aber warum
steht dann trotzdem bei den Absolute Maximum Ratings 4,6V?
Das Problem ist, das Projekt ist meine Diplomarbeit, und einen TMS
zerschießen, möchte ich doch nach Möglichkeit vermeiden.
Dann vielleicht doch lieber mit geringerer Genauigkeit leben.

Autor: Gerhard Gunzelmann (Gast)
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Auf was bezieht sich denn das mit den 4,6 Volt ? Wenn Du eine Versorgung
von 3,3 Volt hast, und die Eingänge haben Clamping-Dioden kriegst Du nur
3,3+0,7 = 4,0 Volt zusammen. Also wenn Du den maximalen Strom nicht
überschreitest sollte das schon so funktionieren.

Gerhard

Autor: Andreas Wiese (Gast)
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Wenn ich das so genau wüsste.
Also Versorgung geschieht mit 3,3V, der nominale Messbereich geht bis
3V. Und als Maximum ist für alle Spannungen 4,6V angegeben und eben 2mA
als max. clamp Strom.
Habe den Ausschnitt aus dem Datenblatt mal angehängt.
Das wichtigste ist mir halt das der heile bleibt. Und die max. 5V von
meinem Wanlder liegen halt über den angegebenen 4,6V.
Vielleicht kannst du das eindeutiger entziffern.

Autor: Gehard Gunzelmann (Gast)
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Hallo

also ich kann im datenblatt kein Prob erkennen. Alle 4,6Volt Spannungen
beziehen sich auf masse. Wird die 4,6 nicht überschritten: kein Problem.
Damit die 2mA nicht überschritten werden aus 5 Volt: 5/2mA = 2500 Ohm.
Mach also einen 2,7kOhm R in die Leitung und das Problem sollte gelöst
sein. Tip für Vorsichtige (da zähl ich mich dazu) Nimm einen 10k
Widerstand, leg in an den Eingang über ein Poti (Masse-5Volt) und dreh
langsam die Spannung hoch. Bleibt die Spannung am Eingang des uC bei
4.0 Volt stehen haste kein Problem.


Gerhard

Autor: Marc (Gast)
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Hallo Andreas,


ich würde Dioden verwenden um Überspannungen nach Vcc bzw. GND
abzuführen; am Besten eignen sich z.B. eine BAV99; durch
die Integration sind diese vollkommen symmetrisch im gewünschten
Messbereich linear:


Vcc |-----|<-----+-----|<-----+
                 |            |
Vinput >--==R1==-+--==R2==----+---| GND
                 |            |
Vout <----==R3==-+-----||-----+


R1 und R2 Spannungsteiler
R3 Schutzwiderstand/ Strombegrenzung (Dim. lt. data sheet des µC)


Diese Schaltung wird in vielen Steuergeräten eingesetzt.

Mfg, Marc

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