Pegelanpassung 12V-<3,3V

[Tim (Gast)]

Hallo,
ich möchte folgendes umsetzen.
Ich möchte für einen Mikrocontroller einen Pegel von 12V (wobei dieser 
zwischen 9-16V variieren kann) auf 3,3V wandeln.
Dabei soll der Eingangswiderstand so hoch sein, das maximal 3mA in der 
Schaltung fließen. Des Weiteren und das ist das Größte Problem, die 
Grenzfrequenz sollte möglichst hoch sein (am besten >5MHz).
Meine Ansätze waren zunächst eine 3,3V Z-Diode und ein Widerstand als 
Spannungsteiler. Dabei komme ich zwar auf die den gewünschten Pegel, 
jedoch ist dann die Grenzfrequenz sehr klein (ca. 100kHz), da die 
Z-diode eine Kapazität von 220pF hat.
Mein zweiter Ansatz war zwei LEDs (C=12pF)mit einer Durchlassspannung 
von 1,7V in reihe zu schalten und einen Vorwiderstand. Damit kann ich 
eine Grenzfrequenz von 1,5MHz erreichen.

Hat jemand noch einen anderen Ansatz? Oder habe ich vllt sogar einen 
Denkfehler in meinen Überlegungen? In der Simulation habe ich den 
µC-Eingang mit 10pF als Näherung simuliert, da diese Angabe nicht im 
Datenblatt vorhanden ist.

[Felix A. (madifaxle)]

Wie wäre ein einfacher Spannungsteiler mit Werten ab 10k (spart Strom 
und hat selbst nahezu keine Kapazität)?

Wenn der Aufwand groß sein darf kann man auch auf schnelle Komparatoren 
gehen...

[WehOhWeh (Gast)]

Kapazitäten klein, Widerstände klein hilft.

Variante 1:
Eine Clampingdiode gegen die Versorgung, einen Serienwiderstand und ein 
Gatter (z.B. Schmitt-Trigger) mit niedriger Eingangskapazität. Didoden, 
speziell Schottky, gibts mit extrem geringer Kapazität (HF-Schottkys), 
Schmitt-Trigger mit 3pF gibts auch.

Variante 2:
Alternativ geht auch ein simpler Spannungsteiler mit Gatter dahinter. 
Pegel genau nachrechnen, ob sich das auch ausgeht.

Achtung: Auch Leiterbahnen haben Kapazitäten, daher alle Bauteile nahe 
zum Eingang des Gatters platzieren.

ich habe auf die Art schon 3V3-Eingänge gebaut, die 60V wegstecken, mit 
2MHz UART drüber. So einen Quatsch braucht man für die 
Sicherheitstechnik.

Da du nicht bis 60V gehen musst, wird das mit den 10MHz schon klappen.
Einfach ist es nicht, Gatter gut aussuchen und Timings genau nachrechnen 
- ist ja nur RC, daher nicht so schwierig.

Noch ein Hinweis:
Messen kann man in solchen Schaltungen nur noch mit aktiven Tastköpfen, 
weil ein normaler das Timing extrem verfälscht.

[Johannes O. (jojo_2)]

Tim schrieb:
> Hat jemand noch einen anderen Ansatz?

Mag eventuell ein wenig oversized sein: Komparator verwenden. Bau einen 
Spannungsteiler auf, damit du sicher im Spannungsbereich der Eingänge 
des Komparators bleibst. Die Schaltschwelle legst du ebenfalls 
dementsprechend fest.
Den Spannungsteiler setzt du direkt an den Eingang des Komparators, 
damit du weniger Kapazität auf diesem Knoten hast.

Ansonsten fehlt noch eine Angabe: Der High Pegel ist ja 9V bis 16V, aber 
was ist der Low-Pegel? Eventuell(!) würds auch schon ein einfacher 
Transistor oder MOSFET tun.

[Klaus (Gast)]

Atmel schlägt für "Mains", Netzspannung das vor. Mit kleineren 
Widerständen wird das auch für kleinere Spannungen passen.

MfG Klaus

[Bla (Gast)]

50Hz sind aber deutlich langsamer als 5MHz...

[Tim (Gast)]

Vielen Dank für diese zahlreichen Hinweise und Ratschläge. Das hat mir 
sehr weiter geholfen. Ich werde die gegebenen Ideen mal evaluieren und 
hoffe damit die passende Lösung zu finden.

[Werner H. (werner45)]

... einen kompensierten Spannungsteiler wie im Oszi-Tastkopf aufbauen, 
der kann dann auch hochohmiger werden. Kondensatoren im selben 
Verhältnis wie die Widerstände, warscheinlich ist kein Abgleich nötig.

Gruß   -   Werner

[Wolfgang (Gast)]

Tim schrieb:
> Mein zweiter Ansatz war zwei LEDs (C=12pF)mit einer Durchlassspannung
> von 1,7V in reihe zu schalten und einen Vorwiderstand. Damit kann ich
> eine Grenzfrequenz von 1,5MHz erreichen.

Dann nimm doch einen fertigen Optokoppler, der mit deinen 5MHz klar 
komm, wenn es dann unbedingt galvanisch getrennt sein soll ;-)

https://www.digikey.de/product-search/de?pv45=53&pv448=253&pv448=245&pv448=258&pv448=137&pv448=261&pv448=190&pv448=238&FV=fff40039%2Cfff8033d&k=optokoppler&mnonly=0&newproducts=0&ColumnSort=0&page=1&quantity=0&ptm=0&fid=0&pageSize=100

Ein einfacher Spannungsteiler, ggf. mit kapazitiver Kompensation tuts 
nicht?

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Tim schrieb:
> Ich möchte für einen Mikrocontroller einen Pegel von 12V (wobei dieser
> zwischen 9-16V variieren kann) auf 3,3V wandeln.

9..16V sind der H-Pegel. Was ist der L-Pegel deiner Quelle? Denn wenn 
der nicht unter 1V liegt, dann taugt die ganze Idee mit 
Spannungsbegrenzung nichts.

> Dabei soll der Eingangswiderstand so hoch sein, das maximal 3mA in der
> Schaltung fließen.

16V/3mA ~= 5K. Das ist weit entfernt von hochohmig.

> Des Weiteren und das ist das Größte Problem, die
> Grenzfrequenz sollte möglichst hoch sein (am besten >5MHz).

Warum? Hochfrequente Signale überträgt man nicht mit 12V Spannungspegel. 
Aus gutem Grund. Und schon gar nicht, wenn der Treiber hochohmig ist 
(denn woher sonst kommt die Forderung nach maximal 3mA?). Und apropos 
3mA. Ein 6pF Kondensator hat bei 5MHz eine Impedanz von 5K. Die meisten 
Steckverbinder haben schon deutlich mehr. Von Kabeln ganz zu schweigen.

> Meine Ansätze waren zunächst eine 3,3V Z-Diode und ein Widerstand als
> Spannungsteiler. Dabei komme ich zwar auf die den gewünschten Pegel,
> jedoch ist dann die Grenzfrequenz sehr klein (ca. 100kHz), da die
> Z-diode eine Kapazität von 220pF hat.

Grundlagen! Frequenzkompensierter Spannungsteiler. Schon mal gehört? Ein 
kleiner Kondensator über dem Widerstand kompensiert die Kapazität der 
Z-Diode. Da die Z-Diode kein Widerstand ist, berechnet man das nicht 
über die Zeitkonstanten, sondern über das Teilerverhältnis. Bei 12V in 
und 3V out wäre das Spannungsverhältnis 3:1 und folglich das 
Kapazitätsverhältnis 1:3. Also z.B. ein 68pF Kondensator parallel zum 
Vorwiderstand. Ergibt dann natürlich eine Eingangskapazität der 
Schaltung von gut 50pF. Viel mehr als die gewünschten <=6pF.

> Mein zweiter Ansatz war zwei LEDs (C=12pF)mit einer Durchlassspannung
> von 1,7V in reihe zu schalten und einen Vorwiderstand. Damit kann ich
> eine Grenzfrequenz von 1,5MHz erreichen.

Auch hier hilft der Kondensator.

> Hat jemand noch einen anderen Ansatz?

Schaltdioden haben niedrige Kapazitäten. Wenn du dich nicht ohnehin auf 
die Klemmdioden am µC-Eingang verlassen willst, wäre z.B. eine BAV99 als 
externe Klemmdiode nach GND/Vcc geeignet.