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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsbegrenzung für AD-Wandler mit Zenerdiode


Autor: Zener (Gast)
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Hallo,

ich habe bislang einen AD-Wandler ohne jegliche zusätzliche Beschaltung 
direkt an den Ausgang eines OP's (aktiver Filter, Sallen-Key-Tiefpass 
2.Ordnung falls von Interesse) angeschlossen. Da ich jedoch Angst habe, 
mir den AD-Wandler durch eventuelle zu hohe Signalspannungen zu 
zerschießen, möchte ich die Spannung auf 3,3V begrenzen. Frequenzbereich 
liegt im Audiobereich, ich denke, dass sollte mit Zenerdioden noch zu 
machen sein.

Zur Spannungsstabilisierung habe ich folgende wunderbar einfache 
Schaltung hier gefunden. Das Problem hierbei ist: Der AD-Wandler hat 
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm (Ausgangswiderstand Filter minimal). 
Sprich, selbst über einen kleinen Vorwiderstand würde ich einiges an 
Signalspannung einbüßen.
             __
Filter o----|____|------o----------o ADC
              Rv        |
                       ---|
                       / \  Zener-Diode
                       ---
                        |
                       GND

Da es mir aber hier ja nicht um Spannungsstabilisierung (konstantem 
Ausgang bei in gewissen Grenzen variablem Eingang) geht - kann ich den 
Vorwiderstand nicht in meinem Fall auch komplett weglassen? Also - geht 
es nicht auch einfach folgendermaßen:

Filter o------o---------o ADC
              |
             ---|
             / \  Zener-Diode
             ---
              |
             GND


Falls ich Blödsinn erzähle, bitte Nachsicht mit mir zeigen - bin noch 
ziemlicher Elektronik-Anfänger (allen voran was Z- oder Zener-Dioden 
betrifft).

Autor: 3350 (Gast)
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Der Vorwiderstand limitiert den Strom, sonst bringt der OpAmp was er 
eben bringt.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Bei einem Vorwiderstand von >4k7 kann die Zenerdiode entfallen, wenn die 
Ausgangsspannung des OVs nicht höher als +-10V werden kann.

Autor: Zener (Gast)
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> Der Vorwiderstand limitiert den Strom, sonst bringt der OpAmp was
> er eben bringt.


Aber der OP bringt doch dann auch nicht mehr Strom, als wenn gar keine 
Zener-Diode da wäre, oder?

Das heißt, wenn die Sache vorher durch direktes Verbinden Filter -> 
AD-Wandler ok war, muss sie es mit Zenerdiode doch auch noch ok sein, 
oder?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Erste Frage: wie hoch ist die Betriebsspannung des OV? Kann der Ausgang 
denn Spannungswerte annehmen, die für den nachgeschalteten AVR 
gefährlich sein können und wenn ja, wie hoch sind diese?

Autor: Zener (Gast)
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Der OP wird mit +/- 5V betrieben, größere Spannungen sind nicht zu 
erwarten. Der AD-Wandler kann Eingangssignale bis 3,5V "verarbeiten".

Ich weiß nicht, ob diese 1,5V zusätzlich bereits eine Beschädigung des 
AD-Wandlers bewirken können - aber ich möchte es auch nicht riskieren.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Nö, mußt Du nicht. Ein einfacher Vorwiderstand von 5k1 in Serie vom OV 
zum ADC reicht. Die Z-Diode ist in dem Fall nicht nötig.

Autor: Noch ein Anfänger (Gast)
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Hmm, dass kann ich aber nicht recht glauben - der ADC hat wie gesagt 
einen Eingangswiderstand von 50 Ohm. Da würde doch quasi alles bereits 
am Vorwiderstand abfallen?!

Dieser geringe Eingangswiderstand ist ja gerade das dumme, weshalb ich 
mir nicht sicher bin, was ich tun soll.

Autor: Zener (Gast)
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Hoppla, da stand wohl noch ein Username aus einem anderen Posting drin - 
der vorhergehende Beitrag ist von mir.

Autor: Ekschperde (Gast)
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Welcher AD-Wandler soll bitte 50 Ohm Eingangswiderstand haben?

Zenerdiode ist nicht gut, weil mit viel Kapazität behaftet die auch noch 
spannungsabhängig ist.

Autor: Zener (Gast)
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Nennt sich THS1206M-EVM und wird in Verbindung mit einem DSP benutzt: 
http://focus.ti.com/lit/ug/slvu098/slvu098.pdf

Genaues zum Innenwiderstand steht dort leider nicht drin, habe aber als 
Auskunft "50 Ohm" bekommen.

Autor: Ekschperde (Gast)
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Dann schalt mal 50 Ohm davor, und guck ob die Hälfte rauskommt.
Kommt mir nämlich ziemlich wenig vor.
Bei 50 Ohm hätte der OV ja schon ganz schön zu keulen um die Spannung zu 
bringen.

Ansonsten sollt es im Datenblatt stehn ob er bipolar 5 V am Eingang 
abkann.

Autor: Walter (Gast)
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Glaub ich auch nie und nimmer dass der AD 50 Ohm Eingangswiderstand hat 
...

Autor: HildeK (Gast)
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Hier ist das Datenblatt:
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ths1206.pdf

Über den Eingangswiderstand schweigt es. Allerdings ist eine 
Beispielschaltung drin mit unbekanntem Vorwiderstand nach einem OPA, 
deshalb würde ich daraus schließen, dass der Eingangswiderstand deutlich 
größer als 50 Ohm sein muss. Wie auch schon Ekschperde anmerkte.

Aber: AVDD muss 5V betragen und der Eingang darf bis zu 1.5V (maximal) 
über AVDD liegen. Damit sind doch deine Probleme sofort verschwunden, 
besonders dann, wenn der vorgeschaltete OPA auch nur mit 5V versorgt 
wird. Oder, du begrenzt die Ausgangsspannung des OPA mit einem Zusatz, 
so dass ein Limiter draus wird, wie z.B. hier:
http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/Op_limiter1...

Einfachst prüfst du den Eingangswiderstand des AD mal nach, indem du ihm 
eine (DC-)Spannung im erlaubten Bereich anbietest und den Eingangsstrom 
misst. Der Rest ist Ohmsches Gesetz.

BTW: ist der nicht ein bisschen überdimensioniert (analoge Eingangs-BB 
54 / 96 MHz) für Audioanwendungen?

Autor: Zener (Gast)
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Danke für eure Beiträge, werde mich jetzt nochmal um den 
Eingangswiderstand kümmern.

Zum Wandler selber: Ich hoffe, ich rede jetzt nicht von etwas anderem 
@HildeK. So wie ich das im Datenblatt (Seite 34) lese, darf der Eingang 
maximal 1V über der Referenzspannung von 2,5V liegen.

An sich wäre der Wandler etwas überdimensioniert, allerdings müssen 
mehrere Kanäle gleichzeitig abgetastet werden. Und dieser hier kann vier 
Kanäle.

Autor: Zener (Gast)
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Ah Moment, jetzt wird mir klar, was HildeK meinte:

->  AGND –0.3 V to AVDD + 1.5 V

Demzufolge dürfte es ja doch tatsächlich kein Problem sein, wenn im 
Fehlerfall doch mal 5V anliegen sollten. Muss ich mir aber noch einmal 
durch den Kopf gehen lassen.

Autor: Zener (Gast)
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Inzwischen habe ich es auch nachvollziehen können, vielen Dank nochmal. 
Als Anfänger fehlt mir leider noch etwas die Übung, was das effektive 
Lesen (und auch Verstehen) von Datenblättern angeht...

Zusätzliche Spannungsbegrenzung kann ich mir so dann wirklich sparen. Um 
den Eingangswiderstand werd ich mich aber trotzdem noch kümmern, das 
interessiert mich jetzt auch!

Autor: Peter (Gast)
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Ich bin zufällig auf den Beitrag hier gestoßen. Ich suche verzweifelt 
einen Shop, in dem ich das Board

THS1206M-EVM

bestellen kann. Wo hast du denn deins her Zener?

Autor: manuela (Gast)
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--------------------------------
 |             |                 |
 |             |                 |
 |            ---|              |-|
---           / \               |Rlast
 -            ---  Zener-Diode  |-|
 |             |                 |
 |             |                 |
 |             |                 |
 |             |                 |
 ----| Rz |-----------------------

Wie würdet ihr diese Schaltung berechnen, war Klausuraufgabe.
Die Daten hab ich net da, außer  [0<Uo<15V] Es geht um das Prinzip.
Maccht es einen Sinn, wenn ja welchen? Man sollte noch grafisch Il IZ 
und I darstellen

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Autor: manuela (Gast)
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Ist es denn egal, wo der Vorwiderstand eingebaut ist?

Autor: HildeK (Gast)
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>Ist es denn egal, wo der Vorwiderstand eingebaut ist?
Es ist egal! Du kannst ihn auch in die obere Leitung zwischen Batterie 
und Z-Diode einzeichnen, wenn dir dann die Berechnung bzw. das 
Verständnis leichter fällt - so wie in Paul Baumanns Link.

Autor: Michael (Gast)
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>Filter o------o---------o ADC
>              |
>             ---|
>             / \  Zener-Diode
>             ---
>              |
>             GND

Also so stabilisiert die Zener Diode doch gar nichts und ist nur ein 
Verbaucher (bis sie kaputt geht)

Autor: Kevin K. (nemon) Benutzerseite
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setzt halt einen gewissen ausgangswiderstand der signalquelle voraus, 
wenn das >100ohm sind, sollte die zenerdiode die spannung schon gut 
stabilisieren (jaja, gut ist relativ)

Autor: Michael (Gast)
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>--------------------------------
> |             |                 |
> |             |                 |
> |            ---|              |-|
>---           / \               |Rlast
> -            ---  Zener-Diode  |-|
> |             |                 |
> |             |                 |
> |             |                 |
> |             |                 |
> ----| Rz |-----------------------
>
>Wie würdet ihr diese Schaltung berechnen, war Klausuraufgabe.
>Die Daten hab ich net da, außer  [0<Uo<15V] Es geht um das Prinzip.
>Maccht es einen Sinn, wenn ja welchen? Man sollte noch grafisch Il IZ
>und I darstellen

Ich versuch mich mal:

Die Spannung der Zener-Diode nenne ich mal als Uz an und diese ist 
gleich der Spannung, die über Rlast abfällt. Über Rz fällt die Spannung 
Uo-Uz ab, ich nenne sie mal Ur. Die Diode nehme ich mal als Ideal an, 
sprich keine Leckströme und eine scharfe Zenerspannung (bei Uz gehts 
strommäßig zur Unendlichkeit mit gleicher Steigung)

Im Bereich von 0V<Uo<=Uz ist der Strom durch die Diode (Iz) 0A, der 
Strom durch Rlast (Il) ist gleich dem Strom durch Rz (I). Er berechnet 
sich wie folgt:

I = Uo/(Rl+Rz)

Im Bereich von Uz<Uo<15V ist der Strom durch Rlast:

Il=Uz/Rlast

Der Strom durch die Diode ist gleich

Iz=Ur/Rz-Il

Und der Strom duch Rz

I=Ur/Rz=Iz+Il

So, und wie ich mich kenne habe ich wieder mal einen Gedankenfehler 
drin, so ari-safarimäig wie ich das grad gemacht hab xD

Autor: HildeK (Gast)
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>Im Bereich von Uz<Uo<15V ist der Strom durch Rlast:
>Il=Uz/Rlast

An der Stelle bin ich nicht deiner Meinung.
Bei U0=Uz (deine untere Bereichsgrenze) ist die Spannung am Rlast noch 
nicht Uz, da ja mit Rz und Rlast ein Spannungsteiler aufgebaut ist. Erst 
wenn U0 so groß ist, dass auf Grund des Teilers an Rlast die Spannung Uz 
oder größer anliegen würde, fängt die Z-Diode zu leiten an.

>So, und wie ich mich kenne habe ich wieder mal einen Gedankenfehler drin
Das ist wohl der Knackpunkt in dieser Prüfungsaufgabe. Von mir hättest 
du trotzdem 80% bekommen :-)

Es stimmen also die Bereichsgrenzen nicht:
>... Bereich von Uz<Uo<15V ist der Strom durch Rlast ...
>... Bereich von 0V<Uo<=Uz ist der Strom durch die Diode ...
diese ist U0' = Uz *(Rz+Rlast)/Rlast

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