Moin,
ich habe ein bisschen angefangen, mich mit Schutzschaltungen zu
beschäftigen. Vieles ist mir aber noch unklar, insbesondere weil es hier
oft (scheinbar) keine Standardlösungen gibt. Jeder macht und empfiehlt
etwas leicht bis stark Anderes. Naja, viele Hobbybastler interessieren
sich gar nicht erst für sowas. Hier nun meine Fragen:
1. Schutz von Pins, die nach außen geführt werden
Ein Serienwiderstand ist sinnvoll, darüber gibt es wenig Diskussion. Wie
soll der allerdings dimensioniert werden? Und wie geht man mit Ausgängen
um, die eine hohe Treiberleistung erbringen müssen, insbesondere Open
Collector / Open Drain?
Weiterhin schwören einige auf externe Clamping-Dioden, andere meinen
wieder die internen Clamping-Dioden im MCU reichen aus, wenn ein
Serienwiderstand vorhanden ist. Und was für externe Dioden am Besten
verwendet werden sollen, ist mir auch nicht klar. Reichen da normale
Kleinsignaldioden oder sollten es Schottkys sein?
In vielen Schutzschaltungen haben ich auch einen kleinen Kondensator
(1..100nF) parallel zwischen GND und Eingang/Ausgang gesehen. Das müsste
doch als Tiefpass wirken, oder verstehe ich da etwas falsch? Für viele
Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das Signal nicht mehr
durchkommt.
2. Überspannung/Transienten
Wann ist eine Suppressordiode sinnvoll, wann lieber eine Drossel, oder
sollte man das sowieso immer in Kombination verwenden? Wie sollten diese
Elemente verschaltet und ausgelegt werden?
3. Kurzschluss
Kann man bedenkenlos und ohne weitere Schutzmaßnahmen Polyfuses bei
Kleinspannungen verwenden?
ich nehme an, es geht um digitale Signale mit Logikpegel (also um 3 oder
5V).
> Wie soll der allerdings dimensioniert werden?
Kommt auf die Frequenz und die Eingangskapazität an. Mein alter
Nadeldrucker hatte 100 Ohm.
> Und wie geht man mit Ausgängen um, die eine hohe Treiberleistung erbringen
müssen
Das hat nichts mir dem Serienwiderstand zu tun. Eine erhöhte
Treiberleistung wäre bei einem parallel-Widerstand nötig.
> externe Clamping-Dioden, andere meinen wieder die internen Clamping-Dioden im
MCU reichen aus
Das ist auch so, wenn mittel Vorwiderstand sichergestellt ist, dass sie
nicht überlastet werden. Bei den meisten Mikrocontrollern und Logik-IC's
sind 1-2mA zulässig. Es hängt auch von der SPannung ab, vor der man
schützen möchte. Bei 12V reichen 10k Ohm ohne extra Dioden, aber bei 300
Volt geht es nicht mehr so einfach.
> Und was für externe Dioden am Besten verwendet werden sollen
Die Dioden müssen den Strom aushalten, und an ihnen darf nicht mehr
Spannung abfallen, als der Chip dahinter verträgt. Wenn z.B. einen AVR
Mikrocontrolelr mit 1N4001 schütze und diese mit 1 Ampere belasten,
fallen an diesen Dioden weit mehr als 0,7V ab, so dass der AVR kaputt
geht.
Andererseite möchte man die Dioden nicht größ0er machen als nötig, weil
große Dioden auch große Kapazität haben.
> Kondensator (1..100nF) ... Das müsste doch als Tiefpass wirken
Ja
> Für viele Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das> Signal nicht mehr durchkommt.
Ja, kommt halt auf die Frequenz an. Mein alter Drucker hatte 220pF an
jeder Datenleitung. Zusammen mit den 100 Ohm Vorwiderständen ergab sich
eine Beschränkung der Übertragungsrate. Andererseit wurde er dadruch
aber auch unempfindlich gegen statische Ladungen, sowie kurze
Störimpulse.
> Wann ist eine Suppressordiode sinnvoll, wann lieber eine Drossel
Ich weiss nicht, was eine Suppressor Diode ist. Drosseln filtern hohe
Frequenzen stärker heraus, als niedrige. Wenn Dein Nutzsignal eine
niedrige Frequenz hat, könnte eine Drossel daher besse geeignet sein,
als ein Widerstand, der alle Frequenzen gleich bedämpft. In Kombination
mit einem Kondensator verstärkt sich der Effekt noch -> Siehe Grundlagen
zu R/C und L/C Filtern.
> Kann man bedenkenlos und ohne weitere Schutzmaßnahmen Polyfuses> bei Kleinspannungen verwenden?
Nein. Im Kurzschlussfall gehen elektronische Bauteile (z.B. Dioden und
Transistoren) meist schneller kaputt, als die Polyfuse anspricht. Sie
eignen sich aber gut, um Transformatoren zu schützen, da die nicht so
schnell durch brennen. Bei begrenztem Strom eignen sie sich auch, um
Kabel und Leiterbahnen zu schützen, z.B. am USB Port. Aufgrund des
Leitungswiderstandes ist ein "echter" Kurzschluss am USB Port sehr
unwarscheinlich. Aber es kann ein erhöhter Strom in Größenordnung von
einigen Ampere fließen. Damit dabei nicht die Leiterbahnen im Computer
weg brennen, bieten sich Polyfuses an. Der Haken ist jedoch, dass sie
(im Vergleich zu Schmlezsicherungen) einen recht hohen Innenwiderstadn
haben, vor allem, nachdem sie einmal ausgelöst haben. Für externe USB
festplatten eignen sie sich daher wieder nicht, deswegen sind die USB
Ports der meisten Computer ungeschützt.
80% der gestorbenen Teile mit Außenverbindung hatten irgendein
Masseproblem. Deshalb sollte man immer darauf achten, daß Steckverbinder
ausreichend zuverlässige Masseverbindungen haben und diese rechtzeitig
Kontakt geben und lange genug Kontakt geben wenn irgendein DAU die
Verbindung trennt. Die restlichen Maßnahmen beziehen sich darauf,
unverträglich hohe Leistungen von der Schaltung fern zu halten.
Da gibt es keine Standardlösung, das muss man sich eben selbst
ausrechnen weil es von Fall zu Fall variiert.
Die Grenzfrequenz eines Tiefpass muss logischerweise über der
Signalfrequenz liegen..
Der Widerstand am Eingang muss in jedem Fall noch den Strom durchlassen,
den der Eingang benötigt.
Über die Clamping Dioden eines AVR darf meines Wissens 1mA fließen, das
ist nicht viel, entsprechend groß sollte daher der Eingangswiderstand
sein wenn Spannungsspitzen zu erwarten sind..
stefan us schrieb:> ich nehme an, es geht um digitale Signale mit Logikpegel (also um> 3 oder> 5V).>
Ja, genau. Hätte ich wohl erwähnen sollen.
>> Wie soll der allerdings dimensioniert werden?>> Kommt auf die Frequenz und die Eingangskapazität an. Mein alter> Nadeldrucker hatte 100 Ohm.>>> Und wie geht man mit Ausgängen um, die eine hohe Treiberleistung erbringen> müssen>> Das hat nichts mir dem Serienwiderstand zu tun. Eine erhöhte> Treiberleistung wäre bei einem parallel-Widerstand nötig.>
Naja, man weiß halt nicht immer, wie hoch eventuelle Pullups an der
anderen Seite des Interfaces sind. Wenn man es mit dem Ausgang nicht
mehr schafft, das Signal verlässlich auf Masse herunterzuziehen, ist
das... ungut. ;)
>> externe Clamping-Dioden, andere meinen wieder die internen Clamping-Dioden im> MCU reichen aus>> Das ist auch so, wenn mittel Vorwiderstand sichergestellt ist, dass sie> nicht überlastet werden. Bei den meisten Mikrocontrollern und Logik-IC's> sind 1-2mA zulässig. Es hängt auch von der SPannung ab, vor der man> schützen möchte. Bei 12V reichen 10k Ohm ohne extra Dioden, aber bei 300> Volt geht es nicht mehr so einfach.>
Hmm, leider habe ich keine Informationen darüber gefunden, was die
internen Dioden z.B. bei AVR oder MSP430 aushalten sollen.
>> Und was für externe Dioden am Besten verwendet werden sollen> Die Dioden müssen den Strom aushalten, und an ihnen darf nicht mehr> Spannung abfallen, als der Chip dahinter verträgt. Wenn z.B. einen AVR> Mikrocontrolelr mit 1N4001 schütze und diese mit 1 Ampere belasten,> fallen an diesen Dioden weit mehr als 0,7V ab, so dass der AVR kaputt> geht.>
Okay, stimmt. Die Absolute Maximum Ratings bewegen sich meistens nicht
höher als Vcc+0.5V oder so an den Inputs.
>> Kondensator (1..100nF) ... Das müsste doch als Tiefpass wirken>> Ja>>> Für viele Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das>> Signal nicht mehr durchkommt.>> Ja, kommt halt auf die Frequenz an. Mein alter Drucker hatte 220pF an> jeder Datenleitung. Zusammen mit den 100 Ohm Vorwiderständen ergab sich> eine Beschränkung der Übertragungsrate. Andererseit wurde er dadruch> aber auch unempfindlich gegen statische Ladungen, sowie kurze> Störimpulse.>
Hmm, interessant. Ich hätte vermutet, dass kleine Kondensatoren dann
auch eher wenig Schutz bieten, und irgendwann kann man es dann gleich
sein lassen.
>> Wann ist eine Suppressordiode sinnvoll, wann lieber eine Drossel>> Ich weiss nicht, was eine Suppressor Diode ist.
Auch bekannt als TVS-Diode oder einfach Überspannungs-Schutzdiode.
> Drosseln filtern hohe> Frequenzen stärker heraus, als niedrige. Wenn Dein Nutzsignal eine> niedrige Frequenz hat, könnte eine Drossel daher besse geeignet sein,> als ein Widerstand, der alle Frequenzen gleich bedämpft. In Kombination> mit einem Kondensator verstärkt sich der Effekt noch -> Siehe Grundlagen> zu R/C und L/C Filtern.>
Ich dachte eher an eine Drossel an der Versorgungsspannung.
>> Kann man bedenkenlos und ohne weitere Schutzmaßnahmen Polyfuses>> bei Kleinspannungen verwenden?>> Nein. Im Kurzschlussfall gehen elektronische Bauteile (z.B. Dioden und> Transistoren) meist schneller kaputt, als die Polyfuse anspricht. Sie> eignen sich aber gut, um Transformatoren zu schützen, da die nicht so> schnell durch brennen.
Schade. Ich habe fast schon so etwas vermutet. Dann im Zweifelsfall doch
lieber eine altmodische Schmelzsicherung.
> Der Haken ist jedoch, dass sie> (im Vergleich zu Schmlezsicherungen) einen recht hohen Innenwiderstadn> haben, vor allem, nachdem sie einmal ausgelöst haben.
-> siehe Raspberry Pi. ;) Da gibt es mit den Polyfuses Probleme.
> Wie soll der allerdings dimensioniert werden?
So, daß er bei Nennstrom nicht stört.
> Und wie geht man mit Ausgängen um, die eine hohe Treiberleistung> erbringen müssen, insbesondere Open Collector / Open Drain?
Eben drum geht der Widerstand nicht als Standardlösung.
> Weiterhin schwören einige auf externe Clamping-Dioden, andere meinen> wieder die internen Clamping-Dioden im MCU reichen aus, wenn ein> Serienwiderstand vorhanden ist.
Wenn dank des Serienwiderstandes auch bei höchster ESD Eingangsspannung
nicht mehr Strom fliessen kann, als die Eingangsdioden laut Datenblatt
abkönnen, reichen die internen, sonst müssen leistungsfähigere externe
dazu.
> Und was für externe Dioden am Besten> verwendet werden sollen, ist mir auch nicht klar. Reichen da normale> Kleinsignaldioden oder sollten es Schottkys sein?
Wenn man Schottkys verwendet, kann amn sicher sein, daß der
Spannungsabfall geringer ist als an den eingebauten, man braucht also
keinen zusätzlichen Widerstand zwischen externern Dioden und Eingang.
Allerdings haben Schottky einen hohen Sperrstrom, wenn der also stört
muss man ordentliche Dioden wie BAV99 verwenden, bei hohen Frequenzen
besonder niedrige Kapazität, und die wiederum erfordern einen
zusätzlichen Widerstand zwischen Dioden und Eingang mit seinen eigenen
Eingangsschutzdioden damit über die viel weniger (und damit nicht zu
viel) Strom fliesst.
> In vielen Schutzschaltungen haben ich auch einen kleinen Kondensator> (1..100nF) parallel zwischen GND und Eingang/Ausgang gesehen. Das müsste> doch als Tiefpass wirken, oder verstehe ich da etwas falsch?
Genau dafür ist er da: Tiefpass ehisst: Der Funke hohe Spannung wird
geplättet und man muss nunr noch mit der geringeren Spitzenspannung
auskommen.
> Für viele Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das> Signal nicht mehr durchkommt.
Ach. Du hast also verstanden, warum es keine Patentlösung gibt.
Interessante Diskussion, siehe auch meine Fragen bei:
Beitrag "Voltage-Level Translator"
Aus eigener Erfahrung kann ich dazu auch noch sagen, dass die Qualität
des Netzteils eine große Rolle spielt. Ich werde nie wieder irgend ein
so USB oder Handy-Lade Netzteil benützen.
