Überspannungsschutz und Verpolungsschutz vor ADC

Eine Schottky Diode vom ADC Pin zu GND und eine Schottky vom ADC Pin zu 
3.3V.

3.3V--+---
      -
      ^
ADC --+--
      -
      ^
GND---+---

uwe schrieb:
> Eine Schottky Diode vom ADC Pin zu GND und eine Schottky vom ADC Pin zu
> 3.3V.

Hat diese Schaltung eine extra Bezeichnung, da ich gerne noch eine 
Erklärung dazu nachlesen würde.

Ich verstehe die Funktion noch nicht ganz. Wenn ich z.B. 5 V anlege, 
dann ist die obere Diode in Durchlassrichtung und es fließt ein Strom 
von meinem ADC-Pin zu VCC. Aber wie wird dadurch die Spannung begrenzt?

Statt dem Serienwiderstand könnte man auch ne flinke Feinsicherung 
einbauen, oder?

Die löst dann aus, bevor die Dioden kaputtgehen.

Das Bus-Pumping Problem (Es fließt ein Strom nach Vcc, die Spannung dort 
kann sich ggf. unzulässig stark erhöhen) würde ich dann mit einer 
selbstgebauten Power-Zener Diode lösen (NPN +Zd).

Sobald zum Beispiel 12V angelegt werden, fließt Strom über die Diode 
nach Vcc ab, dort wiederum wird die Leistung in der Leistungs-Zener 
verbraten bis die Feinsicherung durchschmilzt.

Wenn ein Linearregler Vcc versorgt, muss der noch mit einer 
Verpolungsschutzdiode versehen werden, die mögen das nicht wenn Vout 
größer als Vin ist.
Wobei es da auch Typen gibt, die einen integrierten Schutz besitzen, 
wenn ich mich nicht irre.

*Gast schrieb:
> Aber wie mache ich das?

Normalerweise reicht ein Vorwiderstand, denn Schutzdioden hat der 
Eingang selbst, und als Messeingang fliesst ja kaum Strom, meist sind 
10k erlaubt ohne das Messergebnis zu verfälschen, und diese 10k, mit den 
Schutzdioden die mehr als 20mA aushalten, fängt Überspannungen bis 200V.

Braucht man mehr, kommen externe Schutzdidoen nach GND und VCC dazu die 
mehr Strom aushalten.

Lothar M. schrieb:
> Oder andersrum: jeder Bonddraht eines ICs ist flinker als diese flinke
> Sicherung...

Och, so eine Z-Diode mit 5W und 6.8V kann schon über 10A für 500ms 
verkraften. Bei so einem Strom ist die flinke Sicherung dann aber schon 
nach 20ms durch.

Ich wollte auch grade sagen... Wird ja wohl keiner mit nem Schweissgerät 
an den ADC Eingang gehen.

Jim M. schrieb:
> Aber wenn da ein 5V USB Netzteil o.ä. dran hängt, killt das
> die komplette Schaltung durch Überspannung auf VCC

Die Schaltung wird mit 5V über USB versorgt und danach kommt ein 
Spannungsregler auf 3,3V (1A).

So richtig klar ist mir die Schaltung noch nicht und auch die Simulation 
funktioniert nicht.

Gibt es keine Alternativen?

*Gast schrieb:
> Jim M. schrieb:
>> Aber wenn da ein 5V USB Netzteil o.ä. dran hängt, killt das
>> die komplette Schaltung durch Überspannung auf VCC
>
> Die Schaltung wird mit 5V über USB versorgt und danach kommt ein
> Spannungsregler auf 3,3V (1A).
>
> So richtig klar ist mir die Schaltung noch nicht und auch die Simulation
> funktioniert nicht.
>
> Gibt es keine Alternativen?

Also ausser selbst nachdenken meinst du?

Ingo L. schrieb:
> Das Dumme ist immer nur, dass die Spannung dann rückwärts
> auf den Ausgang des Spannungsreglers gelangt und der sich dagegen nicht
> wehren kann.

Das ist m.E. eine Frage des Stromverbrauchs der Schaltung `hinter` dem 
Spannungsregler.

Lothar M. schrieb:
> Und währenddessen steigt dann die Versorgungsspannung Vcc auf 10V an...

Ja gut, ich hab ja auch außerdem noch nen DC-DC-Wandler, der bis 11V 
spezifiziert ist, und der ADC ist mit nem 2:1-Spannungsteiler 
angeschlossen, welcher am Eingang somit auch bis 10V abkann. Ganz 
anderes Projekt natürlich. ;-)

Lothar M. schrieb:
> Sascha_ schrieb:
>> Ich wollte auch grade sagen...
>> Wird ja wohl keiner mit nem Schweissgerät an den ADC Eingang gehen.
> Warum nicht?
> Wenn die Eingangsbeschaltung schon die 60V Leerlaufspanung eines
> Schweißgerätes nicht aushält, wozu braucht man dann eine?

Für alles unter 60V.

> Nop schrieb:
>> Och, so eine Z-Diode mit 5W und 6.8V kann schon über 10A für 500ms
>> verkraften.
> Und währenddessen steigt dann die Versorgungsspannung Vcc auf 10V an...
> :-O

Dagegen hatte ich ja die Leistungs-Zener von Vcc nach GND mit drin... 
Die leitet den Strom so lange ab, bis die Sicherung durchgebrannt 
ist...Und dann passiert erstmal nichts...doch dann plötzlich, mit 
Donnerhall!...passiert wieder nichts...

Sascha_ schrieb:
> Dagegen hatte ich ja die Leistungs-Zener von Vcc nach GND mit drin...
> Die leitet den Strom so lange ab, bis die Sicherung durchgebrannt
> ist...

Worauf Lothar hingewiesen hat: Eine 6.8V-Z-Diode bricht zwar bei 6.8V 
durch. Wenn man aber 10A durchbläst, dann fallen an ihr nicht etwa 6.8V 
ab, sondern 10V. Das ist bei Suppressordioden übrigens genauso, daß bei 
ernsthaften Strömen deutlich mehr als die Durchbruchspannung daran 
abfällt.

Naja und wenn man also 10A durchbläst, damit die Sicherung durchfliegt, 
dann ist BIS zu deren Durchbrennen über der Diode eben 10V. Wenn die 
restliche Schaltung diese 10V nicht für 20ms verkraftet, ist die Diode 
umsonst verbaut.

Sascha_ schrieb:
> Also ausser selbst nachdenken meinst du?

Das habe ich und die Lösung mit einer Zener-Stabilisation und einer 
Diode zur Gleichrichtung vorgeschlagen.

Und die Schaltung mit den beiden Dioden verstehe ich auch nach dem 
Überlegen nicht.

MaWin schrieb:
> Normalerweise reicht ein Vorwiderstand, denn Schutzdioden hat der
> Eingang selbst, ..., mit den
> Schutzdioden die mehr als 20mA aushalten,

Das halte ich für stark übertrieben. Ich weiß zwar, dass die AVRs in der 
Praxis viel mehr aushalten als in den Datenblättern angegeben ist, aber 
man muss es ja nicht übertreiben.
Das Datenblatt sagt: am Eingang maximal Vcc+0,5V und da ist man schon 
mit 0,1mA drüber (0,6V). Einen max. Strom für die Diode habe ich im 
Datenblatt nicht gefunden. Die App-Note AVR182 sagt auf Seite 4: 
empfohlen ist max. 1mA. Damit ist der Eingang schon auf Vcc+0,708V 
(gemessen).

Ich bleibe deshalb immer unter 1mA.

*Gast schrieb:
> Und die Schaltung mit den beiden Dioden verstehe ich auch nach dem
> Überlegen nicht.

Dann nochmal aufmalen und simulieren. Kompliziert isses nicht, man darf 
aber nicht einfach alles ideal ohne Widerstände annehmen. Realistisch 
haben Leitungen, Spannungsquellen immer welche und die werden hier 
gefordert, wenn hohe Ströme fließen.

batman schrieb:
> Dann nochmal aufmalen und simulieren. Kompliziert isses nicht, man darf
> aber nicht einfach alles ideal ohne Widerstände annehmen. Realistisch
> haben Leitungen, Spannungsquellen immer welche und die werden hier
> gefordert, wenn hohe Ströme fließen.

Stimmt, wenn man den Innenwiderstand der Spannungsquelle nicht 
vernachlässigt macht die Schaltung Sinn. Denn dann fällt dort die 
überschüssige Spannung ab.

Ich habe die Schaltung nun simuliert und dabei ist mir aufgefallen, dass 
die Ausgangsspannung am Lastwiderstand (bei mir am ADC-Eingangspin) vom 
Innenwiderstand der Quelle und dem Lastwiderstand abhängt. Und natürlich 
auch von der Flussspannung der Dioden.

Nun habe ich das Problem mit der Dimensionierung!

Angehängt habe ich die Simulation der Schaltung mit LTSpice.

Tja man muß sich schon grob was definieren, wogegen der Schutz helfen 
soll. Dann kann man rechnen. 100kV-Blitzeinschlag, 230V AC 
Netzspannung,..

batman schrieb:
> Tja man muß sich schon grob was definieren, wogegen der Schutz helfen
> soll. Dann kann man rechnen. 100kV-Blitzeinschlag, 230V AC
> Netzspannung,..

Es soll gegen eine falsche Einstellung am Frequenzgenerator helfen. Also 
ungefähr gegen eine Spannung von +-24V schützen.

Dann reicht ein Serienwiderstand und die Ableitdioden. Auf Diodentypen 
mit niedrigem Rückwärtsstrom achten um das Messergebnis nicht zu 
verfälschen.

Sascha_ schrieb:
> Dann reicht ein Serienwiderstand und die Ableitdioden.

So einfach auszulegen ist die Schaltung laut der Simulation allerdings 
nicht!

Die Schaltung soll zwar vor einer Spannung von +-24V schützen, 
allerdings muss sie eine Spannung zwischen -0.3V und 3.6V am "Ausgang" 
(am Eingang des ADCs) liefern.

1N 4. schrieb:
> Du simulierst wohl Müll...

Dies zu erkennen ist wohl keine Kunst. Schwieriger ist es allerdings den 
Fehler zu finden bzw. ihn so darzulegen, dass ein Anfänger ihn versteht 
und verbessern kann.

Dioden mit 0,3V Vf gibts.

1N 4. schrieb:

> Ein Schutz-R und zwei Dioden sind üblicher Standard

Üblicher Standard für übliche Probleme. Für alles andere gibts was von 
Ratiopharm.
(Falls das jetzt nicht verstanden wurde: Der Standard hilft gegen ein 
standardisiertes Problem.)

In irgendeinem alten Lehrbuch über CMOS-IC's war das mal so 
vorgeschlagen:

1

                    1N4148

2

                +----|>|----o VCC 3,3V

3

                |

4

        10k     |    1k

5

in o----[===]---+---[===]---o ADC Eingang

6

                |

7

                |

8

                +----|<|----| GND

9

                   1N4148

10

11

       ZD 3,6V

12

VCC o----|<|----| GND

Die beiden Dioden begrenzen die Überspannung und Unterspannung auf ca 
0,7V. Der 10k Widerstand begrenzt die Stromstärke.

Falls ein nennenswerter Strom durch die Dioden fließt, wird die 
Über-/Unter-Spannung so hoch sein, dass auch die internen Schutzdioden 
des IC leitend werden. Für diese wiederum begrenzt der 1k Widerstand den 
Strom auf höchstens 0,3mA.

Die Zenerdiode sorgt dafür, dass durch den abgeleiteten Strom die 
Spannungsversorgung nicht über 3,6 ansteigt. Bei mehreren zu schützenden 
Eingängen sollte man auf die Belastbarkeit der Zenerdiode achten.

Welchen Frequenzbereich hat deine Quelle?
...welche Signalformen?
Wie Hoch ist der Messstrom oder wie hoch kann deine Quelle belastet 
werden?

> allerdings muss sie eine Spannung zwischen -0.3V und 3.6V
> am "Ausgang" (am Eingang des ADCs) liefern.

Das glaube ich nicht. Ausnahmsweise traue ich dem Datenblatt mal nicht.

Bei allen IC's die ich jemals in meinem Leben gesehen habe, darf die 
Eingangsspannung mehr als 0,3V Über- und Unterspannung haben. Nur muss 
man bei mehr als 0,3V damit rechnen, dass die Eingangs-Schutzdioden 
leitend werden. Sofern der Strom ausreichend begrenzt ist, ist das kein 
Problem.

Alles andere wäre äußerst exotisch.

So irgendwo ab 0,3 V jenseits der Versorgung fangen die internen Dioden 
zum Substrat an zu leiten. Ab da kann es dann zu Fehlfunktionen kommen. 
Für einen echten Schalten braucht man i.A. schon einen deutlichen Strom, 
etwa um einen Latch-up auszulösen. Die 0,3 V könnten da höchstens bei 
hoher Temperatur ausreichen.

Die Lösung mit Widerstand - Dioden - Widerstand sollte da schon 
ausreichen, weil über den 2. Widerstand der Strom begrenzt wird.

ek13 schrieb:
> Welchen Frequenzbereich hat deine Quelle?
> ...welche Signalformen?
> Wie Hoch ist der Messstrom oder wie hoch kann deine Quelle belastet
> werden?

Sinussignal aus dem Frequenzgenerator (ca. 1MHz). Aus dem Generator kann 
natürlich ein hoher Strom geliefert werden.

Aus dem Spannungsregler für die 3,3V stehen 1A zur Verfügung.

Oder als Zweitbestes mit Schottky-Dioden, die begrenzen gleich stärker.