Hallo zusammen, Ich habe da mal eine Verständnisfrage bezüglich der maximalen Spannungen an den IOs eines Mikrocontrollers, spezifisch dem MKE04Z8VTG4-ND von NXP. Im Datenblatt (http://cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MKE04P24M48SF0.pdf, PDF Seite 6) wird die Input Voltage als maximal VDD+0.3 Volt angegeben. Nach meinem Verständnis heisst das, wenn VDD 5 Volt ist darf an dem IO maximal 5,3 Volt anliegen, bei 3,3 Volt VDD nur 3,6 Volt. Liege ich da richtig? Was könnte passieren wenn diese Spannung überstiegen wird? Also bei 3,3 Volt VDD 5 Volt Pegel anliegen?
Wie immer halt : - Das Bauteil funktioniert nicht so wie beschrieben - Das Bauteil funktioniert teilweise nicht - Das Bauteil funktioniert gar nicht - Eigenschaften des Bauteils ändern sich dauerhaft - Das Bauteil geht früher oder später kaputt In Deinem Fall ist vermutlich eine Diode im Bauteil mit Anode am I/O-Pin und Kathode an VDD. Was auch immer passiert, wenn Du die überlastest. Schlieslich ist sie auch nicht alleine auf dem Silizium, sondern gleich daneben sind noch andere Teile.
Der Controller kann das mit vorzeitigem Ableben quittieren. Bereits die Angabe VDD+0.3V ist das "absolute maximum rating", d.h. der obere, nie zu überschreitende Grenzwert. Also ein Wert, der im Betrieb selbst bei vernünftigem Schaltungsdesign nie erreicht werden sollte. Geh für den Betriebsfall davon aus, daß keine Eingangsspannung größer sein darf als VDD. Die 0.3V aus den "absolute maximum ratings" sind ein Sicherheitspuffer, aber der ist eben im Regelfall nicht zu nutzen und erst recht nicht zu überschreiten. Das ist wie beim Brückenbau, eine für 10t ausgelegte Brücke ist so konstruiert, daß sie auch 20t aushält, aber darüber darf sie dann sang- und klanglos die Segel streichen. Wer so eine Brücke mit mehr als 10t belastet, macht etwas falsch.
Tobias E. schrieb: > Nach meinem Verständnis heisst das Richtig. > Was könnte passieren Das lässt sich mit einem entschiedenen eventuell beantworten. Wenn du die 5V niederohmig genug anlegst, wirst du Röstaromen wahrnehmen. Wenn du einen (kleinen) Längswiderstand hast, wird irgendetwas zwischen Latchup des Prozessors und Fehlfunktion passieren. Je nach Qualität der Stromversorgung kann ein neuer Prozessor fällig werden. Wenn der Längswiderstand groß genug ist, übernehmen die parasitären Dioden im Eingang den Strom und leiten ihn nach VCC des Prozessors um. Wenn der Gesamtverbrauch deiner Schaltung dann hinreichend groß ist, merkst du nichts. In diesem Zustand hast du an den Eingangspins aber auch keine 5V mehr sondern irgendetwas im Bereich VCC+0.5V. Für die Betriebssicherheit des Prozessors ist der Zustand suboptimal. Die immer wieder gern propagierten externen Schutzdioden sind nur Kosmetik, da die Schwellspannung zu hoch liegt und sie nicht niederohmig genug sind. Langer Rede kurzer Sinn: Lass es. Es sei denn, dein Prozessor ist explizit so definiert, dass er trotz 3.3V VCC am Eingang 5V verträgt.
Das käme im Detail darauf, an wie hoch die Spannung ist, wie lange sie anliegt und was der Innenwiderstand der Quelle ist. Die meisten uCs haben dafür sogenannte Klemmdioden (such z.B. mal nach Klemmschaltung, Klemmdioden) eingebaut. In dem Datenblatt, auf Seite 24, ist das nur für die ADC-Pins schematisch angedeutet. Möglicherweise gibt es dazu noch App-Notes. Aber im wesentlichen ist das so richtig. Es ist schwer die Wirkung genau zu beziffern, weil die Diodeneigenschaften etc., fast nie (dem Hobby-Kunden) bekannt gegeben werden. Selbst Industriekunden müssen meist große und langfristige Abnehmer sein, um solche Interna zu erfahren. Der Zweck ist aber letztlich zweifach: Schutz gegen ESD - also hohe Spannungen von einigen 100 bis 1000V, aber mit sehr wenig Ladung und eher hohem Innenwiderstand, Zeiten von us. Dabei passiert in der Regel nichts Nachhaltiges, aber da man die Werte, wenn es mal passiert nicht kennt, ist es unmöglich hinterher zu sagen, wie groß der Schaden ist oder ob es überhaupt einen gab. Man kann nur sagen: OK. Die Schaltung funktioniert noch oder nicht. Der zweite Zweck ist der Schutz gegen versehentliches Anlegen von eher geringen Spannungen von etwa dem über 1-fachen bis etwa dem 3-fachen der Nennspannungen (genau weiß ich das nicht) für deutlich merkbare Zeiten bis zu einigen Minuten. Dabei können hohe Ströme (alles was höher als der Nennstrom ist) aus der Stromversorgung, durch den uC in den I/O-Pin fliessen (technische Stromrichtung). Das wird in der Regel bei Strömen im mA-Bereich bzw. Leistungen im unteren mW-Bereich auch keine dauerhafte Wirkung haben; geht jedenfalls in der Praxis meistens gut. Die Werte die ich hier angebe sind nur grob über den Daumen geschätzt und werden ohne jegliche Gewähr genannt. Man sollte das in jedem Fall vermeiden. Das Datenblatt sagt, für den Fall der Überschreitung lediglich, das eine Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Es spezifiziert aber keinerlei Daten dazu. Noch nicht einmal unter welchen Umständen eine dauerhafte Beschädigung möglich ist. Das sind ohnehin keine festen Werte, sondern nur statistische Aussagen. Die Firma wird das schon immer wieder mal messen, weil das auch was über den Prozess aussagt, aber ihre "Garantie" geht eben nur bis zu diesen 0,3V drunter oder drüber.
Das Problem bei dem Ganzen ist folgendes: Gemäß dem Datenblatt musst Du sicherstellen, dass diese Grenze nie überschritten wird. Rufus stellt das in einen anderen Zusammenhang. Die Schutzschaltung sorgt dafür das das überhaupt möglich ist. Ansonsten müssten Du schon bei jeder Spannung über Vdd mit Schäden rechnen. Das ist der Sicherheitsfaktor. In der Praxis kommen Überspannungen aber entweder durch Versehen beim Entwickeln (irgendein Taskopf oder Netzteilanschluss kommt dran) oder im Feld durch aussergewöhnliche Bedingungen vor. Und in diesen Fällen lassen sich meist mehrere Parameter, Zeit, Spannung, Strom weder vorab kontrollieren noch nachträglich feststellen. Da heisst es Daumen drücken; es geht oft gut, aber mit bleibendem Schaden ist zu rechnen.
Ach! Ganz vergessen: Ich habe Dir noch zwei Links herausgesucht: http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/apr/protecting-inputs-in-digital-electronics und http://electronics.stackexchange.com/questions/137643/how-does-a-diode-clamping-circuit-protect-against-overvoltage-and-esd Letzteres zeigt so eine Schutzschaltung mal im Prinzip mit LTSpice (musst Du aber nachmalen, leider kein asc-File dabei). Wesentlich ist, auf die Leistung (und die zeitliche Summe der Leistung) und die Spannung, welche die Diode verträgt, zu achten. Die tatsächlichen Daten werden bei den internen Dioden von uCs anders - im wesentlichen weniger Leistung und Spannung - sein, aber das Wirkungsprinzip des Schutzes als auch des Versagens dieses Schutzes ist das gleiche. (Nur gibts bei LTSpice noch keinen magischen Rauch). Schau Dir ruhig dazu mal die Datenblätter von ein paar Kleinleistungsdioden an.
Danke euch allen für die schnellen und ausführlichen Antworten. Ich werde mich wohl mal eingehender mit besagten Schutzschaltungen beschäftigen, auch wenn ich hoffe dass sie nicht nötig werden.
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