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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Probleme mit Spannungsbegrenzung mit Z-Diode


Autor: Fridolin (Gast)
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Hallo,

ich habe einen IC, welcher 0 bis 7 Volt Eingangsspannung verträgt 
(74HCT14).
Diesen Betreibe ich mit 3,3 Volt.
Im Normalfall sind die Eingangspegel bei 3,3 oder maximal 5 Volt, was ja 
passen dürfte.
Allerdings könnte es ja auch passieren, dass durch einen Kurzschluss 
oder fehlverhalten des Benutzers ca 14 Volt auf einem Eingang anliegen 
könnten.
um zu Verhindern, dass die vergleichsweise teure Schaltung an den 
Ausgängen des 74HCT14 welche 3,3V Pegel braucht kaputt geht, dachte ich 
an eine Z-Diode an den Eingängen in Sperrichtung mit Vorwiderstand.
Ich habe als eine ZD5,1 und einen 100 Ohm Widerstand gewählt, was jedoch 
nicht funktionierte sondern in einer Überhitzung der ZD endete (der 
Widerstand wurde nicht merkbar wärmer).

Hat jemand eine Idee woran das liegen könnte bzw was sich besser als 
Schutz anbieten könnte?

Grüße Fridolin

PS: Beitrag "Re: Lösung für Spannungsbegrenzung" ich habe es so 
versucht wie hier auch in Beispiel 2 geschrieben ist

Autor: Z8 (Gast)
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>(74HCT14).
>Diesen Betreibe ich mit 3,3 Volt.

HCT 4,5..5..5,5V

nimm einen HC!

>ZD5,1 und einen 100 Ohm Widerstand

Der Weg ist richtig, aber der R vieeel zu klein.

Frage: wie schnell wird getaktetet?

Z8

Autor: Stephan Henning (stephan-)
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R = (Uges.-Uz) / Iz !! Iz = im Datenblatt.

Autor: Fridolin (Gast)
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Hallo,

mein Datenblatt über den 74HCT14 sagt folgendes:
-Supply Voltage (VCC)  −0.5V to +7.0V
-DC Input Voltage (VIN)  −0.5V to +7.0V

Daraus schliesse ich, dass der auch mit 3,3V laufen sollte.
Später wird jedoch auf einen 74hc14 als smd zum Einsatz kommen...

Angedacht sind etwa 50-100 kHz.

Dass der Widerstand zu gering ist dachte ich schon, jedoch habe ich die 
befürchtung, dass 1k oder mehr das Signal stören könnten.

Grüße Fridolin

Autor: Z8 (Gast)
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Hi Fridolin,

rechne doch mal selber:

U = U0 * e ^ -t/r*c  ; entladen
U = U0 * (1 - e ^ -t/r*c)  ; laden

Das C ist die Eingangskapazität des 74HCT14, der R = VorRs,
fmax = bekannt.

Lass der einfachhalbhalber die Kapazität der Z-Diode weg.
(auch wenn die gehörig eingeht)
Wenn Du jetzt die Schaltschwellen des Trigger einsetzt, kann Du
Rmax ausrechnen .

Z8

Autor: HildeK (Gast)
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>mein Datenblatt über den 74HCT14 sagt folgendes:
>-Supply Voltage (VCC)  −0.5V to +7.0V

Du solltest nach den Recommended Operating Conditions suchen - da ist 
nämlich die Funktion garantiert, nicht nach den Maximum Ratings. Die 
geben an, ab wann er beschädigt wird.
Wie schon gesagt: ein HC14 ist von 2-6V spezifiziert, aber auch nicht 
übersteuerungsfähig.
Der richtige wäre z.B. ein 74LVC14, 1.65 ... 3.6V Versorgung und 
Eingangsspannungen absolut bis 5.5V. Mit einer normalen Diode vom 
Eingang nach VCC und einem 500 Ohm Vorwiderstand sollten dann deine 
Probleme gelöst sein. Das geht auf jeden Fall noch bei 100kHz, auch noch 
bei 10MHz.

>-DC Input Voltage (VIN)  −0.5V to +7.0V
Im Datenblatt von ONSEMI steht für VIN: -0.5V to VCC + 0.5V

Wenn du also nicht den nicht genau von dem Hersteller nimmst, der auf 
deinem Datenblatt spezifiert hat, dann gilt das nicht. Ich würde da 
sogar eher auf einen Datenblattfehler tippen.

Autor: Jens G. (jensig)
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@Fridolin (Gast)

>mein Datenblatt über den 74HCT14 sagt folgendes:
>-Supply Voltage (VCC)  −0.5V to +7.0V
>-DC Input Voltage (VIN)  −0.5V to +7.0V

>Daraus schliesse ich, dass der auch mit 3,3V laufen sollte.

Jaja, und daraus schließt Du wohl auch, daß er mit -0.5V laufen müsste? 
Das was Du da interpretierst, sind sicherlich die max. Ratings (also 
Grenzwerte), die er verträgt (und nicht, womit er noch lauffähig ist).

Eigentlich kannste auch die integrierten Schutzdioden nehmen, mit 
entsprechend hoch ausgelegtem Vorwiderstand. Also bei angenommenen U=10V 
Überspannung (bezogen auf VCC) und 1mA max. für die internen 
Schutzdioden sinds 10kOhm. Angenommene Eingangskapazität=10pF macht mit 
diesem R eine Zeitkonstante 100ns - ist gut genug für reichlich 1-2 MHz.
Wäre nur die Frage, ob man die internen Schutzdioden dafür mißbrauchen 
darf - viele Hersteller sagen wohl NEIN, und spezifizieren dafür auch 
keine (Grenz-)Werte.

Autor: Fridolin (Gast)
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Hallo

@stephan-
Meine Rechnung für den Schutzwiderstand war auf 100mA ausgelegt
also R = 7V / 0.1A = 70 Ohm -> 86

Allerdings habe ich da wohl Blödsinn gerechnet; Ich ging davon aus dass 
der fliesende Strom gleich bleibt was nicht der Fall sein muss.

Mir ist leider nicht klar, was deine Formel darstellt:
Könntest du diese etwas genauer darstellen (also mit ein paar Worten 
sagen, was jeweils was ist. Beispielsweise (Uges-Uz), soll dies die zu 
"vernichtende" Spannung sein, also z.b. (8-5,1)?
Auch weiß ich nichts von einem I bei der Zenerdiode - dort taucht im 
Datenblatt nur eine Reverse Leakage auf.

@z8
Tut mir leid, allerdings bin ich mit der Formel überfordert. Ich bin 
lediglich Informatik und kein Elektrotechnik Student. Wäre auch hier 
nett, wenn du mir da helfen könntest mit einer Beispielrechnung oder so.

Grüße Fridolin

Autor: Fridolin (Gast)
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@jensig
Ja, das sind die Maximum Ratings, Recomended ist natürlich zwischen 4,5 
und 5,5V.
Und nein, auf die Idee diesen IC unter 3,3 Volt zu betreiben würde ich 
nie kommen ;)
Und jetzt bin ich etwas überrascht, 10k sollen deiner Meinung nach nicht 
stören bei meiner Frequenz? o.O
Dann mal eine Milchmädchenrechnung:
es dreht sich ja alles um U = R * I     ->     I = U / R
Je höher ich R mache, desto niederer ist dann ja auch I, soll heissen, 
wenn ich 10k rein mache, fliesen bei meinen 5 Volt nur noch maximal 
0,5mA bei 3,3V gar 0,33mA.
Dadurch sollte meine Schaltung doch funktionsuntüchtig sein?!

Autor: Jens G. (jensig)
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Du hast einen CMOS vor Dir - also extrem hochohmige Eingänge - da fließt 
also praktisch nur ein kapazitiver Strom (bei Wechselstrom), kein 
ohmscher Strom. Wenn also die Frquenz nicht zu hoch wird (ungefähre 
Grenze mit diesen Werten hatte ich genannt), dann ist der 
Spannungsabfall über den R praktisch null.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Fridolin,

> ich habe einen IC, welcher 0 bis 7 Volt Eingangsspannung verträgt
> (74HCT14).
> Diesen Betreibe ich mit 3,3 Volt.
Er sollte mit 5V betrieben werden.

> Im Normalfall sind die Eingangspegel bei 3,3 oder maximal 5 Volt, was ja
> passen dürfte.
Das kommt auf die Versorgungsspannung an. Die Eingangsspannungen dürfen 
häufig nur eine Schottky-Dioden-Flußspannung über und unter den 
Eingängen liegen, da intern dort schon Schutzdioden verschaltet sind.

> Allerdings könnte es ja auch passieren, dass durch einen Kurzschluss
> oder fehlverhalten des Benutzers ca 14 Volt auf einem Eingang anliegen
> könnten.
> um zu Verhindern, dass die vergleichsweise teure Schaltung an den
> Ausgängen des 74HCT14 welche 3,3V Pegel braucht kaputt geht, dachte ich
> an eine Z-Diode an den Eingängen in Sperrichtung mit Vorwiderstand.
> Ich habe als eine ZD5,1 und einen 100 Ohm Widerstand gewählt, was jedoch
> nicht funktionierte sondern in einer Überhitzung der ZD endete (der
> Widerstand wurde nicht merkbar wärmer).
Eigentlich spricht alles dafür, daß die Diode verpolt war. Du hast 
allerdings geschrieben, daß sie richtig herum eingebaut war.

Welche Spannung lag denn an?

> Hat jemand eine Idee woran das liegen könnte bzw was sich besser als
> Schutz anbieten könnte?
Entweder hast Du die Schaltung falsch gebaut, oder es liegt eine sehr 
hohe Spannung am Eingang an, so daß durch den 100-Ohm-Widerstand sehr 
viel Strom floß (--> R vergrößern).

> PS: Beitrag "Re: Lösung für Spannungsbegrenzung" ich habe es so
> versucht wie hier auch in Beispiel 2 geschrieben ist.
Ich würde die Beschaltung wie in 1 machen und die 5V mit einer 
5,7V-Zenerdiode oder Überspannungsschutzdiode (Reichelt) schützen.

Wahrscheinlich kannst Du auf die Zenerdioden verzichten, wenn Du den 
Widerstand nur hoch genug machst. Die 74HC... enthalten meist schon 
entsprechende Dioden (--> im Datenblatt nachsehen).

Gruß,
  Michael

Autor: Jens G. (jensig)
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suche mal im Web nach HCT_User_Guide.pdf, und schaue in Abschnitt "6 
INPUT/OUTPUT PROTECTION". Dort ist beschrieben, wieviele mA die 
Protection Diodes vertragen. So wie es aussieht, vertragen die D's nach 
VCC 20mA, nach VSS 14mA (bei einem Input). Und das sogar offiziell, 
sprich, man darf es wohl sogar ausnutzen. Da liege ich mit meinem 
angenommenen 1mA also ganz gut (bzw. man hat noch viel Reserve).
Du mußt natürlich aufpassen, daß übern Eingang und seinen Dioden nach 
VCC nicht soviel Strom fließen kann, daß der VCC im Pegel abhebt (also 
Eingangsstrom darf max. den Verbrauchsstrom der Schaltung selbst an VCC 
erreichen, sonst zieht der Eingang den VCC-Wert mit hoch - die Schaltung 
würde also über den Eingang mitversorgt von der treibenden Schaltung - 
die treibende Schaltung wäre also die Spannungsquelle für die 
Schaltung).

Autor: Stephan Henning (stephan-)
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Uges war die max. anliegende Spannung
Uz die Z Spannung
Und I ist der Strom den die Z Diode ab kann. zB. 5-20mA
100mA sind für eine kleine Z Diode tödlich.
Deswegen wird ja auch die "Leistung" der Z Diode angegeben.
Die ergibt sich wie ??  P= Uz*Iz

alles klar ??

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