mikrocontroller.net

Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik GPIO Schutzschaltung / Schaltungsanpassung


Autor: Nils X. (xenon185)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich will mit meinen Controller mehrere Sensoren über den ADC erfassen. 
Der Controller wird mit 3,3V versorgt.
Die Maximale zulässige Spannung an den GPIO’s beträgt 4V.
Ich hoffe von euch Tipps zu bekommen wie ich an besten den Eingang gegen 
Überspannung absichern kann/sollte.
Die Sensorwerte die ich abtasten will sind sinusförmig (Frequenz liegt 
unter 1 kHz) und haben einen 5V_Spitze bzw. 10V_SS Amplitude.

Meine Überlegung ist das Signal über OP-Schaltung (Impedanzwandler -> 
Addierer) auf einen Wertebereich von 0 – 3 V zu skalieren. Nachschalten 
würde ich eine Filterstufe und TVS-Dioden eventuelle Spitzen wegfiltern 
zu können.
Das Problem was ich vermute ist wenn der Sensor mal schwankende Werte 
liefert (was nicht passieren sollte) würden die beim worst case Fall die 
4V eventuell übersteigen und somit den Eingang schädigen.
Wäre es dann eine Sinnvolle Überlegung die OP-Schaltung mit max. 4 v zu 
Versorgen. Die sollten dadurch ja in etwa 3,3V Ausgangsspannung liefern 
können?


Aktuelle Überlegung:
Sensor -> Impedanzwandler -> Addierer (Offset der Welchelspannung) -> 
Tiefpass -> TVS-Dioden

Freue mich über konstruktive Ideen.

Grüße

Autor: Georg (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nils P. schrieb:
> Nachschalten
> würde ich eine Filterstufe und TVS-Dioden

Sehr schlechte Idee. TVS und andere Spannungsbegrenzer gehören ganz an 
die Front. Dein Design bedeutet, dass Teile der Schaltung schon im 
Nirwana sind bevor die zerstörende Spannung die TVS-Dioden überhaupt 
erreicht, mit unabsehbaren Folgen - im Extremfall springt die Spannung 
über den zerstörten OpAmp auf die Versorgung über und vernichtet den 
Rest der Schaltung, und das einzige unbetroffene Bauteil ist die 
TVS-Diode, weil die ja durch den vorgeschalteten Filter "geschützt" 
wurde...

Georg

Autor: Stefanus F. (stefanus)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Schalte einfach einen Widerstand vor den analogen Eingang. Den Rest 
erledigen die ESD Schutzdioden im innern des Chips.

Wenn man jetzt wüsste, um welchen Controller es konkret geht, könnte man 
im Datenblatt prüfen, ob dessen Eingänge überhaupt ESD Schutzdioden 
haben und welche Widerstandwert als maximal empfohlen wird.

Autor: Nils X. (xenon185)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@George: Danke für die bildliche Beschreibung ;)
Werde ich berücksichtigen

@Stefan Us: Es handelt sich um den TM4C1294, so wie es aussieht besitzt 
dieser Controller bereits eine ESD-Diode. Demnach müssten ich jetzt 
nurnoch Cs und Rs auslegen. I_{L} ist mit 2uA angegeben.

Wenn ich das richtig deute muss ich doch schauen wie der Widerstand Rs 
nach den maximalen Strom  über die Diode nach Vdd oder die ESD Clamp 
ließen kann?

: Bearbeitet durch User
Autor: Stefanus F. (stefanus)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ja genau so geht das.

Autor: Georg (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nils X. schrieb:
> muss ich doch schauen wie der Widerstand Rs
> nach den maximalen Strom  über die Diode

Einerseits, das ergibt eine untere Grenzs für Rs. Andrerseits musst du 
natürlich den Fehler berücksichtigen durch die Spannungsteilung zwischen 
Rs und dem Eingangswiderstand am Pin, das ergibt die obere Grenze für Rs 
durch den maximal zulässigen Fehler. Ist die kleiner als die untere hast 
du ein Problem.

Georg

Autor: murja (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wenn du als Eingang ±5V hast, reicht ein Widerstand allein nicht. Der 
Pegel muß angepasst werden(*). Also war dein OpAmp keine schlechte Idee.

Kann man aber auch nur mit Widerständen realisieren. Eine Frage ist 
dabei, ob der Sensor den Eingangsstrom liefern bzw. aufnehmen kann. Das 
andere Problem ist Abhängigkeit des Offset von Vcc.


(*) Vadcin geht von
0 bis Vdda (Single Mode) oder
-Vdda bis +Vdda (Differential Mode)
dabei gilt Anmerkung f: Signal Common = Vdda/2
p. 1861/62 http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tm4c1294ncpdt.pdf

Autor: eProfi (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Schalte einfach einen Widerstand vor den analogen Eingang.
> Den Rest erledigen die ESD Schutzdioden im innern des Chips.

Damit haben wir mal eine Überraschung mit einem Motorola-DSP erlebt.
Trotzdem wir zusätzliche Schottkies parallel zu den internen Dioden 
hatten, reagierte der ADC (oder der integrierte Mux davor) empfindlich 
auf Spannungen über 3,4V (Übersprechen auf andere Kanäle).
Lange ging es gut, bis unser Fertiger eine Rolle BAT54S bekam, deren 
Forward-Spannung um ein paar mV höher war.

Autor: murja (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
murja schrieb:
> Kann man aber auch nur mit Widerständen realisieren.
Weil ich grade noch mal ins DB geschaut hab: Der Radc entspricht 2.5kΩ 
mit einem Quellwiderstand Rs<250Ω.

Ein OpAmp ist also immer erforderlich (irgendwie haben mich die 2µA 
abgelenkt); sei es als Spannungsfolger nach dem passiven Netzwerk oder 
in anderer Beschaltung. Würde eine Invertierung des Signals sehr stören?

Autor: Jacko (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Erst mal OpAmp und das so-machen-es-alle-Zubehör - und
dann über die dadurch entstehenden Zusatz-Probleme
nachdenken...

Vielleicht erzählst du erst mal, welcher Frequenzbereich
deiner ADC-Input-Signale erfasst werden soll.

Bei Frequenzen unter 1 kHz kann man es oft PASSIV
erledigen:
Hauptsache, Zadc > Zs * 4096 (bei 12 ADC-Bits).
Und Rs << R_Leak des ADC-Eingangs.

Ob es geht, muss berechnet werden, aber vielleicht wird die
Fehlerbetrachtung für ein zusätzliches aktives Bauteil
überflüssig...

Autor: H-G S. (haenschen)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Soweit ich das verstanden habe bedeutet die max-Strom-Angabe bei den 
internen ESD-Dioden dass dieser Strom dauernd über diese Diode auf die 
Versorgungsleitung fliessen darf. Der Wert im niedrigen mA-Bereich hat 
mich schon verwundert.

Der ESD-Spitzenstrom im eigentlichen (kurzen) Überspannungs-Vorfall soll 
wesentlich höher sein.

Autor: Stefanus F. (stefanus)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Du wirst staunen: bei einigen anderen IC's steht im Datenblatt, dass die 
ESD Dioden maximal 1 oder 2mA vertragen!

Da muss man zwischen Betrieb und nicht-Betrieb unterscheiden. Kurzzeitig 
vertragen die Dioden viel mehr, aber in der Schaltung dahinter kann eine 
Fehlfunktion ausgelöst werden. Häufig auch eine dauerhafte Fehlfunktion, 
die man nur durch Power-Cycle wieder lösen kann.  Besonder gefürchtet 
ist der häufig vorkommende Latch-Up Effekt, bei dem der Chip intern 
einen Kurzschluss baut und dadurch heiß wird.

: Bearbeitet durch User
Autor: Georg (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Stefan U. schrieb:
> Du wirst staunen: bei einigen anderen IC's steht im Datenblatt, dass die
> ESD Dioden maximal 1 oder 2mA vertragen!

Deswegen ist es ja auch ziemlich pfuschig, die Transientenunterdrückung 
den internen Dioden zu überlassen. TVS-Dioden verkraften mindestens 
10000 mal höhere Impulsströme.

Georg

Autor: Nils X. (xenon185)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke für die vielen Beiträge.

In dem Datenblatt finde ich die Impedanzwerte für den ADC-Input siehe 
Anhang nur verstehe ich nicht die Bezeichnung Rs nicht direkt. Rs kann 
ja nicht der in der Skizze eingezeichnete Widerstand sein, da er sich 
doch außerhalb des Pins (externe Beschaltung) befindet?

Autor: Georg (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Nils X. schrieb:
> da er sich
> doch außerhalb des Pins (externe Beschaltung) befindet?

Klar ist er ausserhalb - die Quelle, die gemessen werden soll, ist eine 
Spannungsquelle mit der Spannung Vs, dem Innenwiderstand Rs und der 
Kapazität Cs.

Ohne Kenntnis dieser Werte kann man überhaupt nicht berechnen, ob die 
Messung den Ansprüchen genügt. Hätte beispielsweise dein Messeingang 
ebenfalls Rs als Eingangswiderstand, hättest du schon einen Messfehler 
von 50%.

Georg

Autor: murja (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wenn man nur Ileak=2µA und Ulsb=1.22mV für die Schätzung hernimmt, muß 
Rs<=610Ω sein. Die passive Schaltung hat mit der oben angeführten 
Dimensionierung einen Innenwiderstand von 6kΩ. Man könnte natürlich auch 
die R nach unten skalieren, was aber dann den Sensor stärker belastet.

Was ist das übrigens für eine Ding und welcher Daten hat der?

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.