Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Analogeingang: Problem bei Überlast


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von Dirk F (Gast)


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Hallo,
als Anlage das Design eines Analogeinganges 4-20 mA.
Funktion im Normalbetrieb OK.
Im Fehlerfall, wenn die +15 V direkt an den Analogpin geschaltet werden, 
wird der Strom auf max. 50 mA über die Polyfuse Sicherung begrenzt.
Bei 8 von 10 Eingängen auf dem Board ist das so.
Aber 2 Eingängen verhalten sich im Kurzschlußfall des Sensors anders:
Der Strom steig bis über 500 mA an, die 15 V Versorgung brechen zusammen 
und als Folge davon resetet die MCU, da die 3,3V aus den 15 V erzeugt 
werden.

Ist das normal, dass Polyfuses so eine große Streubreite haben ?

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Dirk F schrieb:
> wird der Strom auf max. 50 mA über die Polyfuse Sicherung begrenzt.
Du liest das Datenblatt falsch: die 50mA sind der Strom, wo die 
Sicherung garantiert noch nicht abschaltet. Erst bei 150mA Dauerstrom 
muss die Sicherung dann hochohmig werden, und selbst bei 250mA darf sie 
sich dafür 1,5 Sekunden Zeit lassen....

> Ist das normal, dass Polyfuses so eine große Streubreite haben ?
Wie schnell eine Polyfuse "abschaltet" hängt signifikant davon ab, wie 
schnell sie aufheizen kann. Wenn diese beiden Eingänge hübsch viel 
Kupfer um sich haben, dann können sie gut kühlen und schalten später ab.

: Bearbeitet durch Moderator
von Dirk F (Gast)


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Hallo Lothar,
danke für die Antwort.
Also was könnte man am Design verbessern ?
a) Kleinere Polyfuses mit geringerem Hold Strom ?
b) Die MCU Spannungsversorgung von der Sensorversorgung entkoppeln ?

von Dirk F (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> und selbst bei 250mA darf sie
> sich dafür 1,5 Sekunden Zeit lassen....

Habe Pin2 mit externen Labornetzteil versorgt.
Strombegrenzung auf 250 mA eingestellt.
Spannung langsam hochgeregelt.
Bei U>7V spricht die Strombegrenzung 250 mA an.
Die TVS Diode D304 wird heiß.
Habe den Verdacht, dass die Polyfuse F302 komplett ohne Funktion ist.

von Dieter W. (dds5)


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Dirk F schrieb:
> Habe den Verdacht, dass die Polyfuse F302 komplett ohne Funktion ist.

Das sieht fast so aus. Vielleicht liegt da auch ein Bestückungsfehler 
vor denn die SMD-PTC sehen SMD-Ferriten zum Verwechseln ähnlich.

von Dirk F (Gast)


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So, habe alle 10 Stück Polyfuse durchgemessen.
8 STück ca. 12 Ohm.
2 Stück 0 Ohm.  Also entweder Lötbrücke unter dem Bauteil oder er hat 
den Lötprozess nicht überstanden.....

von Fritz (Gast)


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Du solltes dir die Schaltung besser überlegen ob da überhaupt eine 
Polyfuse notwendig ist. Dazu solltest du zuerst in das Datenblatt des 
Sensors sehen. Suche nach der Größe des maximalen Lastwiderstandes. Ist 
der z.B. 500 Ohm ersetze die Polyfuse durch einen 350 Ohm Widerstand und 
das ganze ist Kurzschlußsicher! Bei 15V Versorgung und 20mA bleiben am 
Sensor noch 5V übrig, könnte funktionieren? Datenblatt des Sensor, 
minimale Arbeitsspannung!!
Du kannst auch weniger als 350 Ohm als Vorwiderstand nehmen dann bleibt 
mehr Spannung am Sensor. Eine Polyfuse erscheint mir in deiner Anwendung 
nicht sinnvoll!

von Sebastian S. (amateur)


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Leider muss ich mich der Meinung von Fritz anschließen.

Hinzu kommt noch die Frage: Ist es überhaupt sinnvoll, solch riesige 
Eingangsströme zuzulassen? Oder jault die Peripherie dabei nicht selber? 
Will sagen: Dein Eingang bleibt in Betrieb - Die Externa riecht aber.

Wenn ich Deine Schaltung richtig verstanden habe ist die einzige 
Daseinsberechtigung der Sicherung die, Deine Dioden davor zu bewahren 
aus der Schaltung zu springen.

von Magnus M. (magnetus) Benutzerseite


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Im Anhang sind meine Vorschläge basierend auf dem TL431.


Variante 1:

Diese Variante begrenzt den Strom hart auf ~23,2mA. Im Kurzschlussfall 
(Eingang auf +15V) würden im Transistor ~0,26W verheizt werden.



Variante 2:

Diese Variante begrenzt den Strom auf ~23,2mA (so lange man am Eingang 
keine Spannung über 22,9V anlegt). Im Kurzschlussfall (Eingang auf +15V) 
würden im Transistor ~0,11W und in R4 ~0,15W verheizt werden.

Zusätzlich ist hier noch eine LED, welche beim Ansprechen der 
Strombegrenzung zu leuchten beginnt.


Evtl. müsste an der Außenbeschaltung des TL431 noch ein wenig gefeilt 
werden um Oszillationen vorzubeugen.

von Anja (Gast)


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Hallo,

einfacher wäre ein N-Kanal (LL-)FET statt Polyfuse und Z-Diode.
Für das Gate braucht man dann eine ca 5-7V Hilfsspannung.
Der FET schnürt dann entsprechend oberhalb 4V ab (pinch off Spannung).
Und muß im Fehlerfall natürlich den Großteil der Verlustleistung (z.B. 
25 mA x (15-4)V) tragen.

Gruß Anja

von Joe F. (easylife)


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Geht noch einfacher.
Du brauchst offenbar 3V an deinem ADC Eingang bei 20mA.
Wenn der Shunt-Widerstand so dimensioniert ist, dass bei 15V 20mA 
fließen (-> 750 Ohm), passiert auch bei 15V nichts schädliches.
Um dann von den 15V auf 3V zu kommen, wird der Shunt-Widerstand einfach 
als Spannungsteiler ausgelegt:
1
0-15V ----+  | I = 0..20mA
2
          |  v
3
         +++
4
         | |
5
         | | 600
6
         +++
7
          |
8
          +---- ADC 0..3V
9
          |
10
         +++
11
         | |
12
         | | 150
13
         +++
14
          |
15
GND ------+-----

Oder, wenn du z.B. nur 0..10V für die 0..20mA vom Sensor haben möchtest, 
legst du den Shunt etwas niederohmiger aus, und schützt den ADC mit 
einer Kombination aus Serienwiderstand und Schottky-Diode zu einer 
3.0..3.3V Rail.
Oder mit einer Zener nach GND.
Bei 15V am Eingang fließen dann ca. 0.5mA durch die Diode.
1
0-10V ----+
2
          |
3
         +++            --- 3.3V
4
         | |             |
5
         | | 350         __
6
         +++             /\ Schottky
7
          |              |
8
          +------[3.3K]--+---- ADC 0..3V
9
          |
10
         +++
11
         | |
12
         | | 150
13
         +++
14
          |
15
GND ------+--------------------

: Bearbeitet durch User
von Dirk F. (Gast)


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Danke für die zahlreichen Vorschläge.

Also was schon mal nicht geht, ist die Anhebung der Bürdenspannung durch 
einen Vorwiderstand.

Einige 2 Draht 4-20 mA Sensoren benötigen min. 12 V als 
Versorgungsspannung, also max. Bürdenspannung von 3 V bei 15 V 
Versorgung.

Gruß Dirk

von Achim S. (Gast)


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Magnus M. schrieb:
> Variante 1:
>
> Diese Variante begrenzt den Strom hart auf ~23,2mA. Im Kurzschlussfall
> (Eingang auf +15V) würden im Transistor ~0,26W verheizt werden.

Ähhm: das ist eine Standardbeschaltung zur Spannungsregelung.

Wenn du nur den Spannungsteiler am TL431 als Last hättest, dann würde 
der Strom tatsächlich auf 23,2mA begrenzt - weil 23mA*107Ohm gerade die 
2,5V ergibt, die der TL431 an Ref sehen will.

Tatsächlich begrenzt du mit der Schaltung also die Ausgangsspannung auf 
3,5V. Aber den Strom durch eine Last, die du am Ausgang anschließt, 
limitiert sie nicht.

Na ja zugegeben: der Transistor mit seinem Basisvorwiderstand begrenzt 
natürlich schon irgendwie den Strom, aber sicher nicht auf 23,2mA.

von Magnus M. (magnetus) Benutzerseite


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Achim S. schrieb:
> Ähhm: das ist eine Standardbeschaltung zur Spannungsregelung.

Wenn Du meinst...

> Wenn du nur den Spannungsteiler am TL431 als Last hättest, dann würde
> der Strom tatsächlich auf 23,2mA begrenzt - weil 23mA*107Ohm gerade die
> 2,5V ergibt, die der TL431 an Ref sehen will.

Der Spannungsteiler ist die einzige Last.

> Tatsächlich begrenzt du mit der Schaltung also die Ausgangsspannung auf
> 3,5V. Aber den Strom durch eine Last, die du am Ausgang anschließt,
> limitiert sie nicht.

Am Ausgang wird wohl ein A/D Wandler hängen.

> Na ja zugegeben: der Transistor mit seinem Basisvorwiderstand begrenzt
> natürlich schon irgendwie den Strom, aber sicher nicht auf 23,2mA.

Der TL431 zieht der Basis des Transistors den Strom weg, sobald der 
Maximalstrom erreicht wird.

von Achim S. (Gast)


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Achim S. schrieb:
...

Oh: ich nehme meine Kritik zurück. Der TO will ja den Strom über einen 
gegebenen Bürdenwiderstand begrenzen - was in der Tat nichts anderes ist 
als die Spannung am Bürdenwiderstand zu limitieren.

von Magnus M. (magnetus) Benutzerseite


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Danke :)

von Anja (Gast)


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Dirk F. schrieb:
> Einige 2 Draht 4-20 mA Sensoren benötigen min. 12 V als
> Versorgungsspannung, also max. Bürdenspannung von 3 V bei 15 V
> Versorgung.

Also sorry,

da hast Du ja schon im Normalbetrieb ein Toleranzproblem.
15V - 5% = 14.2V
Polyfuse nach dem ersten Ansprechen eher 10-20 Ohm
Ein bischen Verkabelung und den Ferrit dazu ...
Also mit konservativer Schaltungsauslegung hat das nix zu tun.

Gruß Anja

von Anja (Gast)


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Hatte nicht  ins Datenblatt geschaut:

die Polyfuse hat bis zu 50 Ohm

Gruß Anja

von Dirk F (Gast)


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Hallo Anja,
also die Schaltung habe ich mir irgendwo aus einem Siemens Datenblatt 
abgekupfert (nur Prinzipschaltung, keine Werte der Bauteile).

Hab nochmal nachgesehen, die Sensoren haben 8...30 V DC.

Troptzdem Danke für den Hinweis.
LG Dirk

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