Hallo zusammen,
ich habe mal ein echt kniffliges Problem für die Spezialisten. Das
Problem sind schon wieder die 75V.
Mein µC hat Digitaleingänge mit High-Pegel zwischen 3,5V und 5V.
Es kann aber sein, dass jemand externe Peripherie falsch anschließt,
wobei nichts passieren darf. Im schlimmsten Fall liegen 75V an einem
Digitaleingang.
Die ursprüngliche Idee war:
- Verpolschutz mit Diode in Reihe, und Spannungsbegrenzung mit
3V3-Z-Diode. Dann fallen halt am Vorwiderstand noch ca. 70V ab, und ich
muss diesen extrem überdimensionieren. Die Lösung gefällt mir einfach
nicht so richtig.
Mit Transistoren habe ich auch das Problem mit dem Basis-Vorwiderstand.
Oder gibt es MOSFET, die ohne weiteres so einen weiten Bereich an
Gatespannung abdecken?
Danke schonmal vorweg!
Grüße, gfunk
@ gfunk (Gast)
>- Verpolschutz mit Diode in Reihe, und Spannungsbegrenzung mit>3V3-Z-Diode. Dann fallen halt am Vorwiderstand noch ca. 70V ab, und ich>muss diesen extrem überdimensionieren. Die Lösung gefällt mir einfach>nicht so richtig.
Was heißt denn überdimensionieren? Wenn es eher langsame Signale sind,
kann man da in den 100k++ Bereich gehen, dann reicht ein 250mW
Widerstand.
33k an 75V = 170mW, passt.
Oder statt Widerstand eine Konstantstromdiode (oder Depletion-FET mit
kurzgeschlossener GS-Strecke) einbauen. Die stellt einen Maximalstrom
ein, der dann von einer Z-Diode problemlos begrenzt werden kann.
Alternativ gibt es auch Line-Protection-Devices. Die machen bei
Eingansspannung > Versorgung einfach zu.
tschuessle
Bernhard
gfunk schrieb:> Dann fallen halt am Vorwiderstand noch ca. 70V ab, und ich> muss diesen extrem überdimensionieren.
Atmel macht das in einer Application Note (AVR182) sogar für einen
µC-Eingang bei 4,6-facher Spannung ohne zusätzliche Diode.
Widerstandswert 2 mal 1MΩ.
Einen schönen guten Abend,
jetzt konnte ich mich Ewigkeiten nicht mehr um mein Problem kümmern. Ich
hab einfach zu wenig Zeit ...
Aber jetzt ... Anbei mal ein Screenshot von der ersten Lösung.
"Anschluss" bezeichnet die feindliche Welt außen, die 75V erreichen
kann. Ansonsten normaler High-Pegel zwischen 3,5V und 5V. "µC-INPUT"
geht dann zum Mikrocontroller.
Optokoppler mit Konstantstromquelle (wie auch immer aufgebaut) würde
schon noch auf's Board passen. Da habe ich mir was überlegt mit
Transistoren. Ist aber das gleiche Problem mit dem Spannungsteiler vor
der Basis ...
Hmm, naja. Danke jedenfalls schonmal für die bisherigen Antworten.
Gruß+, gfunk
Dasist jetzt aber schon mit Kanonen auf Spatzen zu schießen.
Der Eingang soll doch nur bis 75V sicher sein, oder?
Zum besseren Verständnis könntest Du am Ausgang Deiner
Eingangsbeschaltung
den µC mitsamt seiner internen Clamping-Struktur zeichnen.
Das ganze lässt sich auch ganz fabelhaft mit LTSpice simulieren.
1. Auch ich würde erstmal dazu raten, Stecksysteme zu verwenden,
die den Fehlerfall möglichst vermeiden.
2. Je nach geforderter Robustheit fängts mit einem simplen
Längswiderstand
an und endet bei 2 Widerständen, eine Doppeldiode als externe
Clamping-Struktur und ggf. noch einen Kerko, wenn man eine gewisse
Filterung
haben möchte.
Deine Schaltung hat schon viel Gutes. Dürfte sowohl in Sachen EMV als
auch bei ESD genug Reserven haben. Ein paar kleine Hinweise:
D2 ist überflüssig. Wenn jemand verpolt anschliesst leitet D3, das
reicht.
Vernünftiger währe wohl aber eine normale Doppeldiode Anstelle von D3.
Eine als Verpolschutz, die 2. gegen Versorgungsspannung. Hat der uC in
gewissen Grenzen auch schon eingebaut.
Ob der Ferrit in Sachen EMV nötig ist musst Du wissen, sonst braucht man
Ihn wohl nicht.
Pass auf das Du Dir mit deinem DGND keine Massseschleifen baust,
passiert leicht wenn man mehrere Eingänge so aufbaut.
Grundsätzlich bist Du sehr niederohmig. Wenn da keine ...kHz Signale
drüber müssen, würde ich R1 grösser machen, zumal es eh ein krummer Wert
ist.
Ob man C1 braucht sei dahingestellt, ich würde es wohl ohne versuchen.
Letztlich alles Kleinigkeiten, funktioniert auch so wie es ist.
viel Erfolg
Hauspapa
Siehe angehängte Simulation.
Die Verlustleistung von R2 wird der worst-case-Parameter bei Dir
werden. Ansonsten sind auch mehrere kV Überspannung kein Thema
(solange die Widerstände nicht durchschlagen).
Vielen Dank für eure Anmerkungen!
Also D2 könnte ich weglassen, und statt D3 eine Doppel-Clampingdiode
einbauen. Das klingt vernünftig.
Das Problem ist tatsächlich die Verlustleistung von R1. In der
Simulation von a34tzw5g heißt er R2. Dort werden 900mW erreicht. Das ist
schon für einen Melf-Widerstand zu viel. Ich bräuchte also noch was
dickeres, oder zwei Widerstände parallel. Das ist mir selbst schon fast
zu viel Aufwand für einen Digitaleingang.
Wenn ich hochohmiger werde, fällt halt auch mehr Spannung an R1 ab. Ich
befürchte dann wird ein normaler Logik-Pegel nicht mehr richtig erkannt.
Mein Problem ist hier die Gratwanderung zwischen Normalbetrieb (3,5-5V
Highpegel) und Fehlerfall (dauerhaft 75V).
beste Grüße, gfunk
Die normalen Transil/Transzorb - oder wie auch immer Dioden haben
Kapazitäten bis 2nF. Das reicht,, um jedes schnelle Digitalsignal völlig
zu deformieren. Es gibt Spezialdioden bis <5pF für diesen Zweck.
Bis jetzt ging es auch nicht um schnelle Signale. Die BAT64 hat laut
Infineon-Datenblatt maximal 6pF.
Das würde mit einem Serienwiderstand von 10k (wie in der Simulation)
einen Tiefpass von ~2,65MHz ergeben.
Das kann der TO dann selber entscheiden, ob das noch reicht.
@gfunk: Noch zum Thema Serienwiderstand und Wert: Vergleiche mal den
Eingangswiderstand von Deinem GPIO mit dem Serienwiderstand
(Spannungsteiler, minimaler High-Pegel, ...).
"Das ist mir selbst schon fast zu viel Aufwand für einen
Digitaleingang."
Einen Serienwiderstand nach den eigenen Anforderungen anzupassen ist zu
viel Aufwand?
Rechne doch mal einen Widerstand von 47k durch und schreibe, ob das OK
ist.
Ich glaube aber, Du hast die Schaltung noch nicht ganz verstanden.
Ich habe mal als Beispiel die relevanten Parameter von einem ST10
herausgesucht:
-> 0,7V * VDD = V_high,in,min
-> 0,5µA leakage current
Für Deinen Fall wäre der High-Pegel der kritische:
R_in = 5V / 0,5µA = 10MOhm.
Über den Daumen gepeilt also ein Spannungsteiler von
10k + 1k (Werte aus Simulation) mit 10MOhm.
Es kommen also 10MOhm / (10MOhm + 10k + 1k) = 99,89% der Spannung am
µC-Pin an.
[Noch mal der Hinweis, dass 70% die Grenze war.]
Rechnen wir das ganze mal mit 47k durch, kommen wir auf 99,53%.
Auch das reicht noch völlig aus.
Ohne noch einmal simulieren zu müssen folgt ungefähr:
P = U^2 / R = (75V - 5,3V)^2 / 47000 Ohm => ungefähr 103mW.
Es ist also ziemlich einfach, einen 47k-Widerstand in 0805 oder 1206 zu
nehmen. Je nach maximaler Umgebungstemperatur.
Sicher sind die Parameter s.o. über einen Temperaturbereich hinweg
schwankend, aber die durchgeführte Rechnung zeigt, dass es möglich ist.
Viel interessanter sind z.B. Schmutznebenwiderstände o.ä.
a34tzw5g schrieb:> Einen Serienwiderstand nach den eigenen Anforderungen anzupassen ist zu> viel Aufwand?
Mit Aufwand meinte ich den Platzbedarf im Layout, und die Komplexität
einer Schaltung für eine an sich primitive Funktion.
> Rechne doch mal einen Widerstand von 47k durch und schreibe, ob das OK> ist.
Von der Verlustleistung her wäre das OK.
> Ich glaube aber, Du hast die Schaltung noch nicht ganz verstanden.
Möglicherweise. Fehlt bei dir nicht ein Pull-Up oder -down Widerstand?
Ich habe bei mir jetzt einen Spannungsteiler mit 47k in Reihe und 100k
gegen GND. Bei 5V am Anschluss erreicht der Pegel am µC-Port damit keine
3,5V mehr.
Gruß + Danke,
gfunk
