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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Mikrocontrollerbeschaltung


Autor: Christoph A. (paul87)
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Hallo Leute,

um Mikrocontroller richtig und sicher zu beschalten, ist mir 
aufgefallen, dass eine Menge an Kondensatoren eingesetzt wird. Diese 
dienen der Stabilisierung, dem Schutz und EMV.

Wo Dioden eingesetzt werden usw, dass kann ich mir klar machen und das 
verstehe ich auch. Ich verstehe auch, dass man Kondensatoren benötigt. 
Aber ich weis nicht wie man diese dimensioniert und an welchen Stellen 
diese in einer Schaltung gehören.

Gibt es dafür Tutorials oder gute Bücher, in denen man solche Dinge 
nachlesen kann?

Autor: Arnold (Gast)
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Hallo,

http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial

Diese Forum reagiert äußerst gereizt auf nicht Googler!

Gruß
Arnold

Autor: Christoph A. (paul87)
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Ich habe schon sehr oft gegooglet nach diesem Thema. Ich habe auch 
einige Schaltungen gefunden.

Was ich suche, ist aber ein Buch oder ein Tutorial, in dem ich nachlesen 
oder nachvollziehen kann, wann und wo Störungen auftreten können/dürfen 
und wie ich diese durch Kondensatoren, Spulen, Dioden oder Widerstände 
beseitige.

Autor: MaWin (Gast)
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Autor: olaf (Gast)
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> Gibt es dafür Tutorials oder gute Bücher, in denen man solche Dinge
> nachlesen kann?

Das meiste steht versteckt hier und da verteilt in Applikationen.
Ansonsten gibt es ein ganz lustiges und interessantes Buch von Robert A. 
Pierce (oder so aehnlich) dem Zar von Linear. Vielleicht kennt einer den 
Titel?

Olaf

Autor: Stefan B. (stefan) Benutzerseite
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Autor: Stefan B. (stefan) Benutzerseite
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Aus MaWins Beitrag die Links zu den PDFs

Cypress: Using Decoupling Capacitors (AN1032)
http://www.cypress.com/?docID=24577

Analog: An IC Amplifier User’s Guide to Decoupling, Grounding,
and Making Things Go Right for a Change (AN-202)
http://www.analog.com/static/imported-files/applic...

Autor: Christoph A. (paul87)
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Super, vielen Dank für die vielen Links und die schnelle Hilfe!

Autor: Thomas O. (kosmos)
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die Abblockkondensatoren meist 100nF Kerkos siehe Datenblatt eines IC 
gehören möglichst nah an das IC und dient dazu plötzliche Belastungen 
durch das Bauteil nicht die Versorgungsleitung als Störantenne wirken zu 
lassen.

Übertriebenes Beispiel: Du hast 2 Drähte 0,1mm Durchmesser und 5 Meter 
Länge klemmst einen an 12V und den anderen an Masse und misst an den 
anderen Ende die Spannung zw. beiden Drähten, dort liegen 12V an, nun 
klemmst du einen 12V Lampe mit 20 Watt dran und denkst das müsste gleich 
leuchten, leuchtet aber nicht dein Multimeter zeigt jetzt auch 0V an.

Das gleiche passiert bei einem µC der zieht die Spannung aber nicht voll 
in den Keller sondern es kommt zu kurzen Schwankungen auf der 
Versorgungsleitung wodurch diese wie eine Antenne Störungen abstrahlt.
Wenn ein Abblockkondensator direkt am µC angeklemmt ist kann dieser 
diesen kurzen Strombedarf abblocken und auf der Versorgungsleitung kommt 
es zu keinen Schwankungen, dadruch wird die Störabstrahlung vermieden.

Die Leitungsstärke, meist 35µm x wenige 10tel mm ist hier das übel, 
diese könnte man möglichst stark/kurz zu dimensionieren um den 
Spannungsabfall zu verhindern oder man versucht diese kurzzeitigen 
Belastungen mittels Kondensator abzublocken.

Autor: Christoph A. (paul87)
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ok. Danke für die Erklärung. So schwer ist das eigentlich gar nicht :)

Autor: Christoph A. (paul87)
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Wenn ich das richtig verstanden habe, kommen die Kondensatoren nur am 
Eingang oder? Am Ausgang ist es doch weniger wichtig einen minimalen 
Störimpuls zu haben oder?

Und wann verwende ich Spulen?

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Cp A. schrieb:
> Wenn ich das richtig verstanden habe, kommen die Kondensatoren nur am
> Eingang oder?

Die Kondensatoren um die es hier geht, die Blockkondensatoren, kommen in 
erster Linie an die Versorgungsspannungsanschlüsse. Ein µC kann auch 
dann erhebliche Ströme kurzzeitig ziehen, wenn sich weder Eingangs- noch 
Ausgnagspins verändern. Sondern die internen Schaltvorgänge verursachen 
das.
Dazu kommt, dass mehr oder weniger alle IC genau 2 Leitungen immer 
gemeinsam haben: Masse und Versorgungsspannung. Erzeugt ein IC Spikes 
auf der Vcc Leitung, kriegen das alle anderen IC mit und reagieren 
unvorhersehbar auf kurze Einbrüche.

Autor: sven (Gast)
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Genau genommen hast du schon überall Spulen. Nämlich die Leiterbahnen 
selber. Ich kenne Leute, die würden liebend gerne in jeden 
Spannungsversorgungszweig zur CPU eine Spule einbauen. Das ist 
allerdings nur begrenzt sinnvoll. Denn zum einen hast du normalerweise 
irgendwo in deiner Schaltung eine geregelte Spannungsquelle (davor wäre 
eventuell eine Spule sinnvoll) und zum anderen haben Spulen zwei weitere 
große Probleme. Sie sind Antennen und, was viel schwerwiegender ist, sie 
kosten viel Geld. In meiner Firma (Automobilzulieferer für 
Elektronikmodule) verwenden wir so gut wie nie Spulen. Aus den genannten 
Gründen. Lieber ein oder zwei Kondensatoren mehr, als eine Spule. Nen 
weiterer Grund gegen Spulen könnte auch sein, dass sie recht empfindlich 
sind. Und bei einer gewissen Stromstärke recht große mechanische 
Dimensionen annehmen.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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diese Abblockkondensatoren kommen an an die Pins der Stromversorgung des 
IC's z.B. zw. VCC und GND oder zw. AVCC und GND und was es noch so gibt, 
wenn z.B. mehrere Pins gleichzeitig etwas schalten wird diese 
kurzfristige Stromspitze aus dem Kondensator genommen. Wenn du einen 
Kondensator an einen Ausgang hängst belastest du den Ausgang zusätzlich 
da dieser immer die Kapazität umladen muss dadruch kann man aber die 
Flanken des Signals abschwächen und auch weniger Störungen produzieren.

Autor: Christoph A. (paul87)
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Ok das mit den Spulen fällt also in der Regel weg. Und die 
Blockkondensatoren nnur an die Spannungsversorgung der jeweiligen IC´s? 
Aber was ist mit den Status Eingängen eines Mikrocontrollers oder 
Reseteingang? Da können doch auch Störungen auftreten?

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Cp A. schrieb:
> Ok das mit den Spulen fällt also in der Regel weg. Und die
> Blockkondensatoren nnur an die Spannungsversorgung der jeweiligen IC´s?
> Aber was ist mit den Status Eingängen eines Mikrocontrollers oder
> Reseteingang? Da können doch auch Störungen auftreten?

Die werden vorzugsweise mittels Programm ausgefiltert, wenn das 
tatsächlich ein Problem sein sollte. Ausnahme: Wenn die Störungen 
Spannungsmässig in Bereiche kommen, die gefährlich werden, wie es zb in 
KFZ möglich sind.
Aber im Regelfall hat man da kaum oder keine Störungen. Die Verbindungen 
auf einer Platine sind zu kurz als das da nennenswert Energie über 
"Leiterbahnantennen" eingekoppelt werden würde.
Kondensatoren schaden da eher als sie nützen, weil sie die Flanken 
verschleifen.

Autor: Sven H. (dsb_sven)
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Auf Leitungen, die der Kommunikation, in welcher Hinsicht auch immer, 
dienen solltest du nur in Ausnahmefällen Kondensatoren einsetzen. Denn, 
diese Kondensatoren müssen vom Ausgang, der an dieser Leitung sitzt, 
umgeladen werden. Das kann im schlimmsten Fall zur Zerstörung des 
Ausgangs führen. Führt aber in jedem Fall dazu, dass schnelle Signale 
nicht mehr unbedingt richtig erkannt werden und zu erhöhtem 
Stromverbrauch. Wo Kondensatoren sinnvoll sein können ist an Leitungen 
die "nach draußen" gehen. Dann aber bitte viel Hirnschmalz in die 
Dimensionierung stecken und Datenblätter wälzen. Und, zur Not, einfach 
hier für den Einzelfall nochmal Fragen.

Ich denke eine generelle Aussage dazu wirst du sowieso nicht bekommen. 
Und wenn du sie bekommst, solltest du sie mit Vorsicht genießen.


Also merke:

An Betriebsspannungspins immer kleine (100nF) Abblockkondensatoren. An 
Signalen nur in speziellen Fällen.

Autor: Christoph A. (paul87)
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Naja die Statussignale oder ähnliches, kommen ja aus bereits geschützten 
IC´s/Bauteile. Also sind die in der Regel nicht gefährlich für den 
Eingang. Vielleicht ein Strombegrenzungswiderstand dazwischen.

Autor: Sven H. (dsb_sven)
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Aber auch da nur vielleicht. Wie immer gilt es, in der jeweiligen 
Situation zwischen Nutzen (Schutz des Bauteils) und Kosten (Geld, Platz 
auf der Platine, Zeit für die Layoutarbeiten...) abzuwägen.

Autor: Christoph A. (paul87)
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Ok Super, dann wäre das auch geklärt.

Wenn wir schon dabei sind, wann setze ich, außer evt. für den 
Verpolschutz oder Überspannungsschutz Dioden ein?

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Cp A. schrieb:
> Naja die Statussignale oder ähnliches, kommen ja aus bereits geschützten
> IC´s/Bauteile. Also sind die in der Regel nicht gefährlich für den
> Eingang. Vielleicht ein Strombegrenzungswiderstand dazwischen.

Auch das nicht.
Das schöne an der Digitaltechnik (bis zu einem gewissen Frequenzbereich) 
ist: solange die Spannungspegel der Komponenten zusammenpassen, muss man 
sich keine allzugroße Gedanken machen, wenn man einen Ausgang mit einem 
Eingang verbindet. Interessant sind Open-Collector Ausgänge bzw. wenn an 
einen Ausgang viele Eingänge angeschlossen werden müssen und die 
Eingänge zusammen dann mehr Strom ziehen als der Ausgang liefern kann.
Aber das hat erst mal alles nichts mit Störungen zu tun sondern ist 
normale Schaltungstechnik.

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Cp A. schrieb:
> Ok Super, dann wäre das auch geklärt.
>
> Wenn wir schon dabei sind, wann setze ich, außer evt. für den
> Verpolschutz oder Überspannungsschutz Dioden ein?

Wann immer du so was wie 'ein Ventil' brauchst, das nur in einer 
Richtung passierbar ist.

Stell dir folgende Situation mit Wasserschläuchen vor



     ------------------------+
  A                          |
     --------------------+   |
                         |   |
                         |   +----------------------
                         |                            C
                         |   +----------------------
                         |   |
     --------------------+   |
  B                          |
     ------------------------+


Die Idee ist:
Wenn man am Eingang A Wasser reinschüttet, kommt bei C Wasser raus
Wenn man am Eingang B Wasser reinschüttet, kommt bei C Wasser raus

Bei C kommt als Wasser raus, wenn entweder an A ODER an B Wasser 
reingeschüttet wird.
Aber: Egal ob du an A oder an B Wasser reinschüttest, beim jeweils 
anderen Ausgang wird auch Wasser rauskommen.

Was du brauchst ist also ein Ventil in jedem Zweig, das genau das 
verhindert:

     ------------------------+
  A             >            |
     --------------------+   |
                         |   |
                         |   +----------------------
                         |                            C
                         |   +----------------------
                         |   |
     --------------------+   |
  B            >             |
     ------------------------+

Jedes Ventil ist so eingebaut, dass es immer nur in Pfeilrichtung Wasser 
fliessen lässt. Damit verhindert man die Sauerei.

Genau das gleiche in der Elektronik
Das hier


      A ----------------+
                        |
                        +----------------  C
                        |
      B ----------------+

geht schief

Das hier, mit Dioden

               |\|
      A  ------| |-------+
               |/|       |
                         +----------  C
               |\|       |
      B  ------| |-------+
               |/|

geht gut und ist eine Oder-Schaltung.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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das ist der typische Verpolschutz, die Lampe leuchtet nur wenn du 
richtig rum polst ansonsten sperrt die Diode.

Rechts davon ein typischer Überspannungsschutz eines Portpins, 
angenommen VCC betragt 5 V und rechts legt man 5V an und erhöht diese 
langsam ab ca. 5,6V wird die Diode leitend und am Widerstand fällt die 
Spannung ab, kann also nicht höher als 5,6V steigen. Die AVRs haben 
solche Dioden integriert man muss nur einen Begrenzungswiderstand 
vorschalten um die Dioden zu schützen.

Vielleicht kann jemand die untere Diode erklären wann kommt diese zum 
Einsatz.

Autor: Christoph A. (paul87)
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Wenn negative Spannungen auftreten. Dann wird die untere Diode leitend 
und schützt somit den Eingang.

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Thomas O. schrieb:

> Vielleicht kann jemand die untere Diode erklären wann kommt diese zum
> Einsatz.

Es gibt auch negative Spannungen.
Ansonsten alles gleich wie im 'oberen' Fall.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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könntest du das etwas genauer erklären.

Ich stelle mir das so vor wenn das GND Potential ansteigen z.B. 12V 
durch Verpolung, fließt der Strom durch beide Diode gegen VCC und die 
Dioden wirds dann killen weil kein kein Begrenzungswiderstand drin ist.

Wenn das Potential von GND also z.B. -12V was passiert dann?

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Thomas O. schrieb:
> könntest du das etwas genauer erklären.
>
> Ich stelle mir das so vor wenn das GND Potential ansteigen z.B. 12V
> durch Verpolung,

muss gar keine Verpolung sein.

> fließt der Strom durch beide Diode gegen VCC

wieso beide?
Beide können nicht gleichzeitig leitend sein

> und die
> Dioden wirds dann killen weil kein kein Begrenzungswiderstand drin ist.
>
> Wenn das Potential von GND also z.B. -12V was passiert dann?

Es geht nicht um das GND Potential. Das ist dein Bezug.

Es geht um die Spannung am Eingang in Bezug auf dieses Bezugspotential

Dann begrenzt die Diode die Spannung auf -Diodenspannung, analog wie es 
auch im positiven Fall der Fall (Vcc + Diodenspannung) ist.

Eine Diode wird dann leitend wenn die Anode (also der Anschluss ohne den 
Strich) positiver wird als die Kathode.

Und dann rinnt halt Strom von GND zu dieser negativen Spannung (aus dem 
Eingang heraus).
Wenn du so willst: GND versucht dann das negative Eingansgpotential 
aufzufüllen, damit es bis auf GND-Diodenspannung angehoben wird.

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