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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik ADC-Überspannungschutz mit Z-Diode; Einfluss auf die Messgenauigkeit


Autor: noips (Gast)
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Hallo zusammen!

Ich habe hier im Forum nach Eingangsbeschaltungen für ADC-Eingägne zum 
Überspannungsschutz gesucht. Am öftesten wird hier eine Z-Diode parallel 
zum ADC-Eingang mit einem Vorwiderstand empfohlen. Ich frage mich aber 
dabei, ob die Genauigkeit des zu messenden Signals nicht sehr darunter 
leidet.

Z.B. bei einer Z-Diode 2,4 V schaut die U-I-Kennlinie in Sperrichtung 
etwa so wie unten dargestellt. Natürlich ist die Kennlinie übertrieben 
flach, sie soll nur das Prinzip zeigen. Wenn dann eine Spannung von z.B. 
2V zu wandeln wäre (wie in der Skizze) so teilt sich die Spannung auf 
den Vorwiderstand und die Diode auf. Am Eingang liegt somit die Spannung 
an, die im Schnittpunkt der Diodenkennlineie und der Widerstandsgeraden 
liegt(in der Skizze bei ca. 1,8V). Hätte die Diode eine ideale Kennline 
(senkrechte Gerade nach oben bei 2,4V) dann wäre das Signal gar nicht 
verfälscht, aber bei realer Kennlinie ist die Verfälschung doch spürbar 
genug, wenn man z.B. einen 12-Bit ADC verwendet. Oder sehe ich die Sache 
falsch?

Autor: Bernd (Gast)
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Da gehört keine Z Diode hin, setz mal nen Link wo das so gemacht wird.

Autor: Manuel (Gast)
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Kann dein ADC nur bis 2,4V? Wenn nicht dann die Z-Diode entsprechend 
höher ansetzen. Wobei mit 12Bit ADCs hab ich wenig Erfahrung.

Autor: Manuel (Gast)
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@Bernd,

und wie machst DU das ???

Autor: Bernd (Gast)
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Wie auch bei digitalen Eingängen, eine Diode von ADC IN in Sperrichtung 
nach GND und eine in durchlaßrichtung nach VCC.

Autor: noips (Gast)
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@Bernd,

Ich habe am Freitag hier einige Beiträge gefunden, wo es so empfohlen 
wird und finde die jetzt nicht mehr. So auf die Schnelle habe ich aber 
z.B. diese da gefunden:

Beitrag "Überspannungsschutz für ADC Eingang"
Beitrag "A/D Überspannungsschutz"

Autor: Bernd (Gast)
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Schau hier, Seite 21:

http://www.fh-friedberg.de/fachbereiche/e2/digital...

und dann 2 Dioden wie s.O.

Autor: noips (Gast)
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@ Bernd

Besten Dank für deine Tipps!


Und an die, die das mit Z-Diode machen:

Wie ist es denn, entsteht da keine wesentliche Verfälschung des 
Messsignals durch die nichtideale Diodenkennlinie? Nehmt ihr 
Standard-Z-Dioden oder gibt es da welche, die für speziell für diesen 
Zweck geeignet sind?

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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noips schrieb:
> Wie ist es denn, entsteht da keine wesentliche Verfälschung des
> Messsignals durch die nichtideale Diodenkennlinie?

Hi,

natürlich verfälscht der Sperrstrom (bei der aktuellen Eingangsspannung) 
das Ergebnis, das trifft allerdings auch für die beiden normalen 
Klemmdioden zu. Für diese müssen also Dioden mit extrem geringem 
Sperrstrom verwendet werden, also wohl keine Schottky. Bei Zenerdioden 
wird man wahrscheinlich nichts Geeignetes finden, das ist daher die 
schlechtere Lösung.

Gruss Reinhard

Autor: noips (Gast)
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Könntest du mir bitte ein Beispiel für eine hier geeignete Diode (extrem 
geringer Sperrstrom) nennen. Ich kenne mich mit Dioden noch nicht aus.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Z.B. bei einer Z-Diode 2,4 V
Du brauchst für einen 5V-Pin keine Begrenzung auf 2,4V.
Da würde locker eine 5,1V Z-Diode reichen.

Aber bleib bei den beiden Dioden,
z.B. als Doppeldiode BAV99 Low Leakage Diode SMD, SOT-23, 80V, 0,2A

Autor: noips (Gast)
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Bei dem von mir verwendeten AD-Wandler geht diese Methode mit 2 Dioden 
wohl nur dann, wenn ich Dioden mit 0,3 V Durchlassspannung einsetze. Die 
Eingänge des A/D-Wandlers vertragen nur -0,3V bis Vdd+0,3V. Sehe ich das 
richtig? Könntet ihr mir für diesen Fall geignete Dioden empfehlen?

Autor: noips (Gast)
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Hab mir jetzt 2 Schottky-Dioden angeschaut. Die kleinste 
Vorwärtsspannung ist 0,33V und das ist für den verwendeten ADC schon zu 
viel. Wenn man den AD-Eingang gegen Vdd mit der Schottky in 
Durchlassrichtung schaltet, dann liegen am Eingang bei Überspannung Vdd 
+ 0,33 V und das sind schon 30mV zu viel. Gibt es denn überhaupt Dioden, 
die man bei so einer Beschaltung in diesem Fall einsetzen kann?

Autor: yalu (Gast)
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noips schrieb:
> Die Eingänge des A/D-Wandlers vertragen nur -0,3V bis Vdd+0,3V.

Diese Aussage in den Datenblättern sagt zwischen den Zeilen meistens
(nicht immer) aus, dass in dem IC die Klemmdioden bereits integriert
sind. Man kann dies leicht mit dem Diodentester nachprüfen. Leider
machen die allerwenigsten Datenblätter explizite Angaben über die
Existenz dieser Dioden, ihre Belastbarkeit usw.

Wenn die Klemmdioden tatsächlich schon vorhanden sind, hat man im
Wesentlichen drei Möglichkeiten:

1. Man verhält sich so, als wären sie nicht existent und versucht, durch
   externe Schutzschaltungen Über- und Unterspannungen von dem IC
   fernzuhalten. Macht man dies mit Klemmdioden, kommen eigentlich nur
   Schottky-Typen in Frage, um die im Datenblatt angegebenen 0,3V nicht
   zu überschreiten. Was den Sperrstrom betrifft, muss man eben
   überlegen, ob man mit den dadurch enstehenden Ungenauigkeiten leben
   kann.

2. Nimmt man wegen des geringeren Sperrstroms lieber PN-Dioden, muss man
   damit rechnen, dass zusammen mit den externen Dioden auch die
   internen leitend werden. Es ist dann aber schwer vorherzusagen, wie
   sich im Überspannungsfall der Strom auf beide verteilt. Da die
   externen Dioden meist größer sind, bekommen sie prinzipiell auch
   einen größeren Strom ab, aber so ganz sicher kann man sich nicht
   sein.

3. Geht man bei Alternative 2 pessimistischerweise davon aus, dass im
   worst Case die internen Dioden fast den vollen Strom abbekommen, kann
   man die externen gleich weglassen. Man schaltet also nur noch einen
   Serienwiderstand zur Strombegrenzung vor den Eingang. Jetzt weiß man
   natürlich nicht, wie groß dieser Widerstand sein muss, damit die
   internen Dioden bei Überspannung nicht durchbrennen. Ein Richtwert
   für den maximalen Diodenstrom ist etwa 1mA (bei den AVRs ist etwas in
   dieser Größenordnung in einer Application Note angegeben). Zusammen
   mit der maximal zu erwartenden Überspannung lässt sich damit der
   Vorwiderstand ausrechnen.

Fazit: Wie man es auch macht, man macht es verkehrt ;-)

> Wenn man den AD-Eingang gegen Vdd mit der Schottky in
> Durchlassrichtung schaltet, dann liegen am Eingang bei Überspannung
> Vdd + 0,33 V und das sind schon 30mV zu viel.

Mach dir deswegen keine Sorgen.

> Gibt es denn überhaupt Dioden, die man bei so einer Beschaltung in
> diesem Fall einsetzen kann?

Mit sinkender Flussspannung steigt meist auch der Sperrstrom. Eine
BAT60A hat eine Flussspannung von nur 0,12V bei 10mA. Dafür beträgt der
Sperrstrom 0,3mA bei 5V, was die ADC-Messung schon deutlich beeinflusst.

Autor: Henk (Gast)
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Also wenn ich analoge Signale messe, die außerhalb der Platine 
entstehenund ,somit für mich nicht "berechenbar" sind, nehme ich eine 
4,7V Z-Diode. Da ich meine AVRs auf 5V laufen lasse und meist die 
interne 2,56V Referenz nutze ist das kein Problem.

Autor: Stefan Wimmer (wswbln)
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...fangen wir mal vorne an: welches ist denn der "von mir verwendete 
AD-Wandler"?
Vielleicht kann man dem Datenblatt/Application Note ja noch ein paar 
Tipps entnehmen?

Autor: noips (Gast)
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Ich verwende den AD7918 (Anhang).

Autor: ... ... (docean) Benutzerseite
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Seite 19, Fig 16 + Seite 10 sagt alles...

Dioden sind vorhanden, die können 10mA ab.

Autor: noips (Gast)
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Das heißt, ich kann einen Vorwiderstand nehmen, der im Überspannungsfall 
(bei Spannungsabfall an ihm gleich Umax - Vdd - 0.3V) den Strom auf max. 
10mA begrenzt und auf die externen Schutzdioden ganz verzichten, 
stimmt's?

Autor: ... ... (docean) Benutzerseite
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jupp

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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noips schrieb:
> Das heißt, ich kann einen Vorwiderstand nehmen, der im Überspannungsfall
> (bei Spannungsabfall an ihm gleich Umax - Vdd - 0.3V) den Strom auf max.
> 10mA begrenzt und auf die externen Schutzdioden ganz verzichten,
> stimmt's?

Hallo,

ja, besser gehts nur mit viel Aufwand, aber ganz vernachlässigen darf 
man den Fehler nicht: für Schutz vor 50 V brauchst du 5 kOhm, für den 
MUX-Eingang ist 1 µA angegeben, damit fallen an den 5 kOhm 5 mV ab bzw. 
1/500 des Eingangsbereichs. Da der ADC 10 bit = 1024 auflöst, sind das 2 
LSB - wenig aber nicht nichts.

Problematisch wird es nach dieser Rechnung, wenn du vor mehreren 100 V 
schützen willst/musst.

Gruss Reinhard

Autor: noips (Gast)
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Ich hätte noch eine Frage. Ich habe bei Analog ein Application Note zu 
anderem ADC gefunden (Anhang). Da gibt es auf S. 6 einen Abschnitt Input 
Protection. Da heißt es, dass Vin auch maximal nur AVss – 0.3 V to AVdd 
+ 0.3 V sein darf. Aber bei der Berechnung des Vorwiderstandes wird da 
eine Diodenspannung von 0.7V angenommen. Und noch steht da, dass wenn 
der Vorwiderstand kleiner werden muss, kann man externe Schottky 
verwenden die mehr Strom ableiten können als die internen Dioden. Das 
heißt also, dass die internen Dioden keine Schottky sind, obwohl die 
Angabe Vss - 0.3V bzw Vdd + 0.3V das vermuten lässt. Nun, dieses 
Application Note ist ja nicht für diesen Wandler verfasst, aber ich habe 
mit einem Diodentester (Multimeter) die Pins des Wandlers geprüft, die 
Durchgangsspannung liegt bei ca. 0.6 - 0.7V. Kann ich dann bei diesem 
Wandler durch Verwendung von externen Schottky-Dioden den Vorwiderstand 
noch kleiner machen? Ich möchte dadurch nämlich vermeiden, dass durch 
Spannungsabfall an diesem Widerstand mein Signal verfälscht wird.

Autor: noips (Gast)
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@Reinhard Kern
Oh, hab meinen letzten Post geschikt, bevor ich den von dir gelesen 
habe. Der AD7928 hat ja 12 Bit Auflösung, das heißt meine genauigkeit 
leidet noch mehr als 2 LSB darunter. Deswegen will ich ja auch den 
Vorwiderstand so klein wie möglich halten.

Was den Leakage Current betrifft, +/- 1µA ist ja als Maximum angegeben. 
Ich habe irgend wo gelesen, das der in Wirklichkeit viel geringer ist.

Autor: Haumichblau (Gast)
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Werden ext. Schutzdioden verwendet, kann man diese auf GND+0,3V und 
VCC-0,3V vorspannen, um den Eingangsspannungsbereich sicher einzuhalten. 
Noch besser ist es, Transistoren PNP+NPN für den Schutz zu verwenden, 
bei denen die Basis um GND+0,5V und VCC-0,5V vorgespannt wird. Die 
Emitter werden an den Eingang gelegt, die Kollektoren an GND (PNP) oder 
VCC (NPN).

Bei ADCs, die einen Multiplexer integriert haben, sind die eingebauten 
Begrenzugsdioden in der Regel ungeeignet! Wird eine der Dioden leitend 
gehalten (Überlast eines Kanals) gibt es deutliches Übersprechen auf die 
anderen Kanäle.

Autor: noips (Gast)
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>Werden ext. Schutzdioden verwendet, kann man diese auf GND+0,3V und
>VCC-0,3V vorspannen, um den Eingangsspannungsbereich sicher einzuhalten.
>Noch besser ist es, Transistoren PNP+NPN für den Schutz zu verwenden,
>bei denen die Basis um GND+0,5V und VCC-0,5V vorgespannt wird. Die
>Emitter werden an den Eingang gelegt, die Kollektoren an GND (PNP) oder
>VCC (NPN).

Habe eine Weile versucht zu verstehen was du meinst, aber bis jetzt ohne 
Erfolg. Könntest du bitte ausführlicher erklären?

Autor: noips (Gast)
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Hätte jemand eine Antwort zu meinem Beitrag von Uhrzeit 13:32 ?

Autor: ... ... (docean) Benutzerseite
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du legst nicht VCC und GND an die externen Dioden sondern GND+0,3V und 
VCC-0,3V

Die Transistoren bilden eien Diode, die auch genauso verwendet wird...

siehe auch 
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Autor: noips (Gast)
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Und zu meinem Beitrag (Uhrzeit 13:32) mit dem Aplication Note im Anhang 
kann niemand was sagen?

Autor: Haumichblau (Gast)
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Anbei die Schaltung im Prinzip. Zur Sicherheit sollte man nicht den 
vollen Austeuerungsbereich des ADC nutzen, sondern unten und oben 0,2V 
Reserve lassen.

Noch besser ist es, jedem ADC-Eingang einen RR-OPV als Puffer 
vorzuschalten. Dieser kann mittelohmig (10k-100k) angesteuert werden. 
Die Versorgungsspannung wird = Vadc-max gewählt (hier +5V) und kann 
daher den ADC-Eingang nicht übersteuern.
Insbesondere, wenn der ADC mehr als 12Bit auflöst, ist dieser Aufwand 
nicht übertrieben.

Autor: noips (Gast)
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Irgendwie verstehe ich diesen Absatz zu Input protection in diesem 
Application Note nicht. Einerseits heißt es da, die Eingangsspannung 
mehr als in Maximum Ratings angegeben (-0.3V < Vin < Vdd+0.3V) soll 
verhindert werden und andererseits werden bei der 
Vorwiderstandsberechnung als Durchlassspannung der internen Dioden nicht 
0.3V sondern 0.7V angesetzt. Bei einer solchen Dimensionierung des 
Widerstandes liegen an Eingang im Fall maximaler Überspannung doch Vdd + 
0.7V und somit wird die Angabe in Maximum Ratins überschritten. Das ist 
doch ein Widerspruch, oder sehe ich das falsch?

Autor: noips (Gast)
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Hat da keiner eine Idee?

Autor: yalu (Gast)
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Die Angabe "AVss-0.3V to AVdd+0.3V" in den Maximum Ratings dient vor
allem zum Schutz der internen Schutzdioden beim Betrieb des ICs ohne
Vorwiderstand. Die eigentliche ADC-Schaltung hält mit Sicherheit ein
paar Volt mehr aus, sonst hätten die Dioden wenig Sinn.

Auch wenn die Flussspannung der internen Schutzdioden normalerweise etwa
0,6-0,7V beträgt, ist es zu riskant, ohne Vorwiderstand bspw. AVdd+0,6V
anzulegen, da die Dioden Toleranzen aufweisen und die Flussspannung der
Dioden mit steigender Temperatur abnimmt. Mit AVdd+0,3V ist man aber auf
der sicheren Seite, daher die Angabe im Datenblatt.

Da die Dioden nicht primär durch die zu hohe Spannung, sondern den zu
hohen Strom zerstört werden, kann man sie mit einem geeigneten Vorwider-
stand schützen. In diesem Fall kann die Eingangsspannung die Versor-
gungsspannung plus die Diodenflussspannung (AVss+0,6V) erreichen, ohne
dass etwas kaputt geht. Die eigentliche ADC-Schaltung ist aber immer
noch geschützt, da sie, wie oben geschrieben, für eine höhere Spannung
ausgelegt sein sollte.

Kann man nur einen kleinen Vorwiderstand nehmen, der den Strom durch die
Schutzdioden nicht ausreichend begrenzt, muss man den Strom (oder zumin-
dest einen Teil davon) an den internen Dioden vorbeileiten. Das geht mit
dazu parallel geschalteten externen Dioden. PN-Dioden sind dafür aber
nicht geeignet (siehe Punkt 2 in meinem Beitrag vom 18.01.2010 14:18).
Schottky-Dioden sind aufgrund ihrer niedrigeren FLussspannung in Ord-
nung, haben aber eben den Nachteil des größeren Sperrstroms.

Autor: noips (Gast)
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@ yalu
Aha, jetzt ist alles klar! Die Angabe AVss-0.3V to AVdd+0.3V hat mich 
durcheinander gebracht. Dachte deswegen, dass die internen Dioden 
Schottky sind und dass dann nach 3. in deinem früheren Post auch externe 
Schottky unter Umständen gar nichts bringen. Aber jetzt verstehe ich 
das. Danke!

Vielen Dank an alle beteiligten für eure Vorschläge und Unterstützung!!!

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