Hallo zusammen,
ich möchte mit einem Mikrocontroller eine serielle Kommunikation
aufbauen. Dazu habe ich mir folgende Eingangsschaltung überlegt (siehe
Bild). Das Signal kommt über eine ca. 2.5m lange Zuleitung an mein
Metallgehäuse in dem der Mikrocontroller sitzt, von dort geht es auf die
Platine Klemme X1-6. Dann kommt eine TVS Diode zum Schutz sowie ein RC
Glied als Filter. Der Schmitt Trigger treibt den Optokoppler. Auf der
anderen Seite geht es dann auf den Eingansgpins des MSP430 (D4 im Plan)
an dem der interne Pull up aktiviert ist.
Das ganze muss zuverlässig funktionieren. Die Zuleitung hat zusätzlich
noch einen Ferrit übergeklemmt. Die Frequenz kann variieren, sollte aber
nicht über 10kHz kommen.
Ich kenne mich in EMV gerechtem Schaltungsentwurf nicht gut aus und wäre
euch dankbar für ein paar Meinungen, Verbesserungsvorschläge (evtl. noch
Widerstand in Reihe zum µC Eingang ?)
Grüße
Ein paar Gegenfragen:
1. Warum das gleiche Bild zweimal? Gibts da einen Unterschied, den ich
auf Anhieb nicht sehe oder war's ein Versehen?
2. Wird IC13 aus der selben Versorgungsspannungsquelle versorgt wie die
nachfolgende Mikrocontrollerschaltung?
3. Was soll genau wovor geschützt werden?
Peter schrieb:> Das ganze muss zuverlässig funktionieren.
Kann es nicht, zuerst gehen deine Dioden kaputt. Wozu eigentlich der
Optokoppler, wenn GND sowieso auf beiden Seiten verbunden ist ?
Der Eingang eines MSP430 ist sehr empfindlich, es sind maximal 2mA über
die Eingangsschutzdioden erlaubt (AVR 40mA). Dafür ist der leakage
current sehr gering (50nA statt 1uA)
1
BAV99
2
+---|>|----+---- VCC
3
| |
4
| +------+
5
Eingang --100k--+--10k--|MSP430|
6
| +------+
7
| |
8
+---|<|----+
9
| |
10
220pF |
11
| |
12
GND -----------+----------+----
funktioniert besser und hält mehr aus (Masseführung vorausgesetzt).
Die Grenzfrequenz ist auf deine 10kHz ausgelegt. Geringere
Widerstandswerte erlauben höhere Frequenzen. Die 25mA bei 2.5kV über die
BAV99 darf kurzzeitig bis 4A gehen, selbst 10k reichen also für 40kV.
Gegen Einstrahlung sollte R44/C11 ausreichen, ein ESD-Schutz sollten die
Dioden liefern. Ich hätte diese allerdings nach dem R44 angeordnet.
Damit sind diese auch bei einer fehlerhaft höheren Eingangsspannung
zumindest in gewissen Bereichen geschützt.
Du musst aber trotzdem (auch bei meiner Variante) darauf achten, dass
der mögliche Strom über die Diode an die 5V auch von dieser Quelle bzw.
den Verbrauchen daran benötigt wird, sonst hebst du die diese an. Nur
synchrone Schaltregler und spezielle Netzteile haben die Möglichkeit,
auch bei einer Rückspeisung die Spannung konstant zu halten.
Wenn bei den ESD-Störungen eine hohe Energie erwartet wird, dann könnte
man noch eine TVS-Diode an den Eingang legen.
Den Optokoppler kannst du dir imho sparen (du hast ja vor und nach
diesem das selbe GND-Bezugspotential). Nimm einen HC14 oder LVC14 als
Schmitttrigger, der arbeitet auch mit 3.3V. Wenn es unbedingt der HCT
sein muss, dann erfordert der ja 5V Versorgung (hast du offenbar) und
man kann auch mit einem Spannungsteiler das Ausgangssignal auf die 3.3V
bringen.
Danke für die Antworten soweit.
zu den Fragen:
1. Das mit den Bildern war ein Ausversehen, die sind identisch.
2. 5V sind als Versorgungsspannung vorhanden, aus diesen wird mit einem
Festspannungsregler die 3,3V für den µC gemacht. Ich denke die Antwort
ist somit ja.
3. Schutz vor ESD und kapazitiven, induktiven Störeinkopplungen ist
gewünscht.
@ Michael Bertrandt: Wieso gehen die Dioden kaputt ? Ich dachte eine TVS
Diode ist genau zu diesem Zweck, um Transienten abzuleiten.
@ HildeK "Wenn bei den ESD-Störungen eine hohe Energie erwartet wird,
dann könnte man noch eine TVS-Diode an den Eingang legen" Welchen
Eingang meinst du hier genau ? Ich habe ja bereits eine TVS Diode
eingebaut.
Grüße
TVS Dioden schaltet man meistens von Masse (A) nach Signal (K). Die eine
TVS am Eingang von GND (Masse) nach Signal ist also gut. Die andere
sollte eine Schottkeydiode (möglichst geringe Vorwärtsspannung) sein.
Sie leitet dann Spannungen von Vsignal + Vvorwärtsspannung ab. Das setzt
aber natürlich vorraus, dass die Spannungsversorgung "stark" genug ist.
TVS Dioden sind "langsam", darum schaltet man oft einen Varistor
parallel der abfängt bis die TVS Diode leitend wird.
Ein ESD Schutzkonzept ist selten einstufig. Oft werden zusätzlich
Funkenstrecken nach GND o.Ä. verbaut.
Denk daran, dass ESD nicht immer positiver Spannungsimpuls bedeutet
(eigentlic ist das sogar eher selten der Fall). Also noch ein Diode in
Reihe in den Signalpfad (Schottkey wegen geringerer Vorwärtsspannung?)
Nicht vergessen auch die Versorgungsspannung mit TVS Dioden o.Ä.
abzusichern.
Wenn du schon einen Optokoppler verwendest, dann trenne die Schaltung
auch komplett galvanisch.
Wie viel V hat denn dein Eingangssignal, und wie viele mA kann es
treiben?
Peter schrieb:> @ Michael Bertrandt: Wieso gehen die Dioden kaputt ? Ich dachte eine TVS> Diode ist genau zu diesem Zweck, um Transienten abzuleiten.
Man muss abe den Strom begrenzen, die halten nicht beliebig viel Energie
aus.
Eine Potentialtrennung zu bauen ohne auch die Versorgungsspannungen zu
trennen ist irgendwie witzlos.
RS485 kommt mit den widrigsten Bedngungen zurecht, dafür wurde es
entwickelt.
Da Du kein Wort über Datenraten und Umgebungsbedingungen verlierst kann
man Dir aber eigentlich nichts raten.
Die Möglichkeiten reichen von - bis was auch immer mit 'geschützt' und
'Zuverlässig' gemeint ist.
Klapferrite bringen Dir für ESD nix und für EMV vieleicht was im Mhz
Bereich.
Viel Bauteile helfen nicht wenn man nicht weiß gegen was genau ich etwas
auf welche Art schützen will.
Bei niedrigen Datenraten reicht u.U. ein Widerstand.
Die clamping dioden sind bereits intern vorhanden (parasitäre Mosfet
Dioden)
TVS Dioden sind hier völlig witzlos da niemals ein Überspannungsfall
erreicht wird. Es werden Spannungen kleiner -0,7V kurzgeschlossen und >
5,7V in die 5V Pufferkondensatoren geleitet.
Je nach Fall und fehlender weitere Absicherung (5V1 Z-Diode über 5V)
treibt das die 5V hoch bis alles kaputt ist.
GHD schrieb:> TVS Dioden sind "langsam", darum schaltet man oft einen Varistor> parallel der abfängt bis die TVS Diode leitend wird.
Ich dachte es wäre genau umgekehrt, das TVS Dioden das schnellste sind,
kann hier jemand Klarheit schaffen ?
Michael K. schrieb:> Da Du kein Wort über Datenraten und Umgebungsbedingungen verlierst kann> man Dir aber eigentlich nichts raten.
habe doch oben geschrieben Frequenz bis 10khz, wo ist das Problem ?
Ebenso sagst du "bis was auch immer mit 'geschützt' und
'Zuverlässig' gemeint ist."
und ich habe geschrieben: Schutz vor ESD und kapazitiven, induktiven
Störeinkopplungen ist gewünscht.
Zu den Ferriten, die Störeinkopplungen können ja Frequenzen im Mhz
Bereich enthalten, ich will mit den Ferriten ja auch nicht mein
Nutzsignal wegfiltern
Die Bezeichnung TVS für die Diode war wohl falsch, sorry dafür, es
handelt sich bei der BAS40 um eine bidirektionale Schottky Diode, die ab
40V leitend wird, diese wollte ich als ESD Schutz einsetzen.
Dann ist doch alles gut.
Da 'Zuverlässig' in Deinem Kopf ausreichend definiert ist und Dir
vollkommen klar ist wie genau sich eine pos. bzw. neg. ESD auswirkt
kannst Du mit ein paar ganz einfachen Berechnungen Deine
'Schutzbeschaltung' gegenrechnen sofern Du denn Datenblätter lesen
kannst.
>bidirektionale Schottky Diode, die ab>40V leitend wird
Arghh (Kopf auf Tisch schlag)
Die wird bei 40V genau einmal leitend und bleibt das dann bis ans ende
aller Tage.
Im Datenblatt steht ganz genau was zum Tode der Diode führt wenn man es
denn erkennen kann.
> wo ist das Problem ?
Das Du lustig Bauteile kombinierts und weder ESD noch die Bauteile
verstanden hast.
Alles nach den Dioden ist nur noch komplizierter Mist der überhaupt
nichts mehr schützt.
Um gegen 'energie' zu schützen muß man wissen welche Energiemenge man
noch beherrschen muss und welche Energieform man in welche andere
Umwandeln muß.
Bdeutet Zuverlässig bei Dir das die Datenverbindung trotz Störungen
funktional bleiben muß oder bedeutet Zuverlässig das die Schaltung
aufbrennen darf aber das Haus stehen bleiben soll.
So groß ist nämlich die Definitionsspanne.
Peter schrieb:> und ich habe geschrieben: Schutz vor ESD und kapazitiven, induktiven> Störeinkopplungen ist gewünscht.
Beantworte doch daher bitte auch die Frage, wie dein Eingangssignal
aussieht (Spannung, Belastbarkeit in mA).
Danke für die Antworten. Mit zuverlässig meinte ich dass es trotz
Störungen
funktional bleiben muß. Wie ich in meinem ersten Post geschrieben habe
kenne ich mich nicht gut aus und wollte ein paar nützliche Tipps.
Wenn ich ESD verstanden hätte sowie sämtliche Bauteile müsste ich auch
keine Fragen hier stellen, aber ich dachte dazu ist ein Forum da
Joe F. schrieb:> Peter schrieb:>> und ich habe geschrieben: Schutz vor ESD und kapazitiven, induktiven>> Störeinkopplungen ist gewünscht.>> Beantworte doch daher bitte auch die Frage, wie dein Eingangssignal> aussieht (Spannung, Belastbarkeit in mA).
Hallo, das Eingangssignal ist 5V, die Belastung sollte so gering wie
Möglich bleiben und ist mit max 5mA angegeben.
Peter schrieb:> Hallo, das Eingangssignal ist 5V, die Belastung sollte so gering wie> Möglich bleiben und ist mit max 5mA angegeben.
10 KHz ist keine Herausforderung - selbst für günstige Optokoppler.
Die anhängende Schaltung belastet das Eingangssignal mit ca. 2.5mA.
Wenn du das Ausgangssignal nicht um uC invertieren kannst, setze deinen
Inverter auf der 3.3V Seite zwischen OUT und uC, oder du implementierst
die Schaltung so, dass der Lastwiderstand nach GND geht (OUT2).
Die Trennung von GND deiner Eingangsseite und der uC-Schaltung hat viele
Vorteile: du hast keine Abstrahlung nach aussen, Gleichtaktstörungen am
Eingang wirken sich nicht auf das Signal aus, und ESD Events werden
wirksam von deiner Schaltung fern gehalten.
D1 schützt deinen Optokoppler vor Spannungsspitzen und Verpolung.
Der Eingang arbeitet als Stromschleife, insofern wirken sich auch
induktive oder kapazitive Einstrahlungen kaum aus, ausser sie wären
stark genug um die LED zum Leuchten zu bringen (unwahrscheinlich).
Mehr ist eigentlich nicht nötig.
Peter, Du must Dir über Deine Anforderungen nochmal klar werden und hier
posten, wenn die Hilfe konstruktiv sein soll.
1) Ist eine galvanische Trennung erforderlich?
wenn ja, wo? Der µC hat eine Versorgung und der Sender hat eine
Versorgung. Kann die Versorgung des Senders auch im Empfänger vor dem
Optokoppler genutzt werden? Oder kommt nur ein 2-poliges Signal am
Empfänger an?
2) ggf. die Anzahl der gewünschten Invertierungen
3) Der Innenwiderstand der Signalquelle (grob). Ggf. auch, ob man den
erhöhen kann (also z.B. 2k in Reihe an dessen Ausgang).
Zwei Anmerkungen:
Es fließt praktisch kein kein Strom. Das ist meist nicht optimal.
Ein Eingangswiderstand von z.B. 1k (oder 500R) mit Ableitdioden
dahinter schützt meist zuverlässig vor Verpolung und Kleinspannungen.
Nur wirklich reine "Blitzableiter" für ESD sollten davor sein.
Michael K. schrieb:> Da Du kein Wort über Datenraten und Umgebungsbedingungen verlierst
Umgebungsbedingungen stimmt, aber hier ist ein Hinweis auf die
"Datenrate" versteckt:
Peter schrieb:> Die Frequenz kann variieren, sollte aber> nicht über 10kHz kommen.
Joe F. schrieb:> Die Trennung von GND deiner Eingangsseite und der uC-Schaltung hat viele> Vorteile: ....>.... ESD Events werden> wirksam von deiner Schaltung fern gehalten.
Optokoppler haben typischer Weise maximale Isolierspannungen, die weit
unter denen, die bei ESD auftreten können liegen.
Uns ist auf diese Weise schon mal eine Schaltnetzteil beim ESD-Test (ESD
Sekundärseitig, in das mit NT versorgte DUT) kaputt gegangen. (Das DUT
blieb intakt.)
Peter schrieb:> Mit zuverlässig meinte ich dass es trotz> Störungen funktional bleiben muß.
Kann es nicht.
Das Potential ist während des 'Schutzvorganges' auf einen max. neg oder
max. pos Wert begrenzt. Deine Datensignal wird währenddessen
'überschrieben'.
ESD bedeutet das ein 'Körper' sich gegenüber dem Potential Deiner
Schaltung auf eine hohe pos. oder neg. Spannung aufgeladen hat und nun
durch Berührung ein '(E)lectro(S)tatic (D)ischarge' stattfindet.
Dieser Körper hat eine Kapazität X die auf eine Spannung Y aufgeladen
ist was eine Energiemenge Z ergibt.
Keiner Dieser Werte wird von Dir definiert.
Diese Energiemenge muß von Deiner Schutzbeschaltung letzlich in Wärme
umgewandelt werden.
Bei einer Diodenspannung von 0,7V und einem Innenwiderstand R? der
Quelle ergibt das eine Strom von 'wasauchimmer'.
Ist der höher als der 'non repetive peak current' zerlegt es dabei Deine
Schutzbeschaltung.
Noch bunter wird es bei 'Induktiven und Kapazitiven Störungen'
Die können nun fast beliebig hohe Energien enthalten weil auch hier von
Dir überhaupt nichts definiert wird und diese Einkopplungen auch
periodisch in unbekannter Häufigkeit und Höhe auftreten können.
Ob Deine Schaltung auf PE Potential liegt oder da irgendwo frei schwebt,
ob sie im Schuhkarton unterm Schreibtisch oder im 'heissen' Bereich
einer Schweißerei eingesetzt wird wissen wir nicht.
Das hat aber alles enorme Auswirkungen.
Was mich ärgert ist das Du zwar weist das Du das Problem nicht
verstanden hast Dich das aber nicht davon abhält möglichst viele
Bauteile aneinanderzureihen und dann die Frage zu stellen ob das so gut
ist.
Eine einfache Betrachtung was passiert wenn eine Eingangsspannung zu
hoch oder zu niedrig ist hätte Dir sofort gezeigt das alles was nach den
Dioden kommt mumpitz ist und die Dioden sofort die Ohren anlegen wenn
der Impuls zu energiereich ist.
Auch scheinst Du in Datenblättern nicht zu lesen was da steht sondern
nach dem zu suchen was Du lesen möchtest.
Wer derart unvorbereitet Hilfe erwartet und auch auf wiederholte
Nachfrage keine Daten liefern kann und nicht mal versteht warum er
liefern muß der bekommt auch mal eine Breitseite.
Eingang.png
(5,3 KB)
