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
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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?
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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.
Hat es einen besonderen grund, dass der Schaltplan spiegelverkehrt (von rechts nach links) gezeichnet ist?
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.
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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.
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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.)
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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.
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