Analog Input Schutzschaltung

[Tobias G. (tobias_g664)]

Hallo,

Ich arbeite mit dem NUCLEO-L476RG Board und benötige eine einfache 
Schutzschaltung zum Einlesen von Spannungswerten von 0 - 3,6 V. Ich habe 
dabei an einen Widerstand und eine Diode mit entsprechender 
Durchlassspannung gedacht (siehe Bild). Die Frage bildet der Widerstand 
einen Spannungsteiler mit dem Eingangswiderstand des µC und wenn ja wie 
verhindere ich das ?

[Dietrich L. (dietrichl)]

Tobias G. schrieb:
> Die Frage bildet der Widerstand
> einen Spannungsteiler mit dem Eingangswiderstand des µC

Natürlich ja.

> und wenn ja wie
> verhindere ich das ?

Die Frage ist, wie groß der Eingangswiderstand des µC ist, wie groß der 
Fehler dadurch wird und wie genau Du es haben willst. Im schlimmsten 
Fall nimmt man einen OpAmp als Impedanzwandler.

Wichtig ist auch, wie der Analogeingang des µC arbeitet. Üblicherweise 
ist da eine Sample&Hold-Schaltung. Um den Einfluss des externen 
Widerstands klein zu halten, kann man einen Kondensator am µC-Eingang 
gegen Masse schalten. Im Datenblatt des µC sollten Infos zu diesem Thema 
zu finden sein (bei AtMegas gibt der Hersteller einen Innenwiderstand 
der Signalquelle von max. 10kΩ an, 1kΩ bei Dir wäre dann problemlos).

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> Tobias G. schrieb:
> Ich arbeite mit dem NUCLEO-L476RG Board und benötige eine einfache
> Schutzschaltung zum Einlesen von Spannungswerten von 0 - 3,6 V. Ich habe
> dabei an einen Widerstand und eine Diode mit entsprechender
> Durchlassspannung gedacht (siehe Bild). Die Frage bildet der Widerstand
> einen Spannungsteiler mit dem Eingangswiderstand des µC und wenn ja wie
> verhindere ich das ?
es gibt verschiedene Möglichkeiten der Schutzbeschaltung.

Zuerst stehen dabei immer die Fragen:
1) Mit welchem Störpotential ist max. zu rechnen (ESD, Blitzschlag?, 
dauerhafte Fehlspannung weil z.B. jemand die 24V-Betriebsspannung 
vesehentlich angelegt hat?)

2) Welche max. Ratings müssen für den zu schützenden Eingang und auch 
für die Schutzbeschaltung eingehalten werden (für 1k bei BF 0805 wären 
z.B. 20V Überspannung mit 20mA Strom und 400mW Verlustleistung schon ein 
Problem.
Manche uC mit 3,3V halten nur ca. 4,5V aus, manche auch 7V und mehr.

3) Welche zusätzlichen Fehler durch die Schutzbeschaltng sind zulässig.

Wie schon geschrieben, kann man die Vorwiderstände durchaus auf ca. 10k 
erhöhen. Um Spannungseinbrüche durch das Zuschalten der Hold-Kapazität 
in der S&H-Schaltung des uC zu unterdrücken sollte ein C (1...10nF) 
gegen Masse geschaltet werden (Applikationshionweise studieren!).

Statt Z-Dioden kann man auch Dioden wie oben im Anhang gezeigt gegen 
+Betriebsspannung und Masse schalten. Der Eingang der Schaltung liegt 
links, der uC läge rechts (die Pullup-R am Eingang läßt man bei einem 
analogen Eingang natürlich weg).

Diese Lösung funktioniert derart, dass bei einer Überspannung der Strom 
über die Betriebsspannung abgeleitet wird. Das ist evtl. ein Problem, 
wenn der normale Stromverrbauch niedriger ist, als der max. zu 
erwartende Fehlstrom.
Der Vorteil ist die sehr hohe Trennschärfe, im Gegensatz zu Z-Dioden, 
welche mit der Z-Spannung entweder knapp an der max. Eingangsspannung 
liegen muß (erhöhter Leckstrom) oder andernfalls die Spannungsbegrenzung 
deutlich über der Eingangs liegt (evtl. zu hoch in der Begrenzung) .

Bei hochohmigen Schaltungen, hohen Betriebstemperaturen und hoher 
Auflösung kann es sein, daß die Leckströme der Dioden schon einen 
merklichen Fehler verursachen. Dann sind sehr Leckstromarme Dioden wie. 
z.B. BAV199 empfehlenswert.
Für hoch dynamische Anwendungen kann auch die Lastkapazität der 
Schutzbeschaltung zum Problem werden. Da kann man auch spezielle 
Schutzbauelemente wie z.B. die SR05 einsetzen.
http://www.semtech.com/images/datasheet/sr05.pdf
Gruß Öletronika

[Michael B. (laberkopp)]

Tobias G. schrieb:
> Die Frage bildet der Widerstand
> einen Spannungsteiler mit dem Eingangswiderstand des µC

Nein.

Der uC-EIngang ist so hochohmig, daß das nicht auffällt, nciht mal 5 
Stellen hinter dem Komma.

Tobias G. schrieb:
> eine Diode mit entsprechender
> Durchlassspannung

Kaum. Solche Dioden gibt es nicht. Eine BZX83C3V6 wird ab 2.7V langsam 
immer besser leitend. Diese Z-Dioden taugen nichts. Erst ab 6V werden 
Z-Dioden  gut, und dann ist es bei dir schon zu spät.

Die Lösung von U.M. mit Dioden (die nach plus und Masse ableiten ist 
viel besser, wobei dir Widerstände etwas unklar sind: Sie bilden 
wirklich einen erheblichen Spannungsteiler. Eventuell ist das in der 
Anwendung dort so gewollt, aber als Beispiel natürlich untauglich.

                    +-|>|- +5V
                    |
Eingang --10k--+----+--1k--| CMOS-Eingang
               |    |
              10nF  +-|<|- GND
               |
              GND

[Typ (Gast)]

Michael B. schrieb:
> Der uC-EIngang ist so hochohmig, daß das nicht auffällt, nciht mal 5
> Stellen hinter dem Komma.

Jein. Kommt auf die Frequenz an.