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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik AVR Eingang Transientenschutz


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Autor: Tim M. (tim90)
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Hallo!,

ich bräuchte wieder einmal Unterstützung von Elektronik Experten.
Ich baue gerade an einer Schaltung die Schaltzustände im Auto überwachen 
soll.
Die Eingänge des AVR (Attiny84) müssen natürlich gegen Überspannung 
geschützt werden. Dazu habe ich eine kleine Schaltung erstellt, die auch 
hohe Spannungspitzen ~100V überstehen soll. Außerdem soll die Schaltung 
Kabelbruchsicher sein. Kann man das so machen oder ist der Ansatz 
komplett falsch?
Bitte nicht verwirren lassen: Die 0.6W am Spannungsteiler werden 
natürlich nie benötigt...

Für Tipps, Hinweise & Verbesserungen würde ich mich freuen!


Gruß,
Tim

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Ich finde die Schaltung Overkill.

Was ich immer mache wenn ich sowas idiotensicher haben möchte, einfache 
Transistorstufe mit möglichst hohem Basiswiderstand plus einfache 
Schutzdioden (z.B. 1N4007) für den Verpolschutz. Um sowas wegzuschießen 
muß man sich schon Mühe geben, theoretisch würde das den Anschluß an 
eine Steckdose überleben. Da geht dann der DAU kaputt (wegen Phase an 
Masse wenn er Pech hat), aber die Schaltung nicht.

Edit: Den PullUp kannste auch weglassen, den hat der AVR intern.

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Autor: HildeK (Gast)
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Das halte ich für viel zu aufwändig!

- Verpolschutz und Sicherung: ok, weil KL15 schon Dampf haben kann.
- Transil mit 16V: a) überflüssig, b) bei Jumpstart wechselst du 
zumindest die Sicherung. Wenn schon Transil, dann bei 35-40V.
- Warum Transistor? Brauchst du das Signal invertiert? Die Basis des 
Transistors hält auch ohne Transil, Spule usw. über den Teiler 47k/10k 
und den RB mit 10k die 100V aus - da fließen nicht mal 2mA in die Basis.


Was brauchst du?
- nach der Verpolschutzdiode einen 10k-Widerstand, gerne noch mit Teiler 
von 7...9V auf den Logik-High-Pegel, eine Z-Diode passend zum Logikpegel 
und dann direkt an den Tiny-Eingang.
Alternativ statt Z-Diode: zwei normale Dioden zwischen VCC - Pin - GND 
in Sperrichtung. Das reicht, wenn die µC-Schaltung selbst wenigstens 
10mA zieht.
Der Transistor ist dann sinnvoll, wenn du am Eingang HIGH bekommst, aber 
dein µC nicht versorgt ist.

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Der AVR-Pin hat interne Schutzdioden gegen Vcc und GND.

Atmel hat mal eine application note für einen Phasenanschnitt-Dimmer 
oder sowas herausgebracht, wo ein AVR-Pin über einen Vorwiderstand 
direkt an der 230V-Steckdose hing. Die scheinen sich also sehr sicher zu 
sein, daß diese Dioden gut sind.

Also wahrscheinlich kann man sich das ganze Transistor-Gelumpe bei einem 
AVR sparen, wenn man einen sehr hochohmigen Vorwiderstand am Pin 
verwenden kann. Das kommt drauf an, welchen Kompromiss man sich zwischen 
maximaler Spannung am Eingang und der Schaltschwelle erlauben kann.

Autor: Dieter (Gast)
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Es wird nur benötigt ein Widerstand 100k vom Signal zur Basis. Zwischen 
Basis und Emitter/Ground der bereits vorhandene 100k Widerstand und 
parallel eine simple Diode 1N4748 in Gegenrichtung, da die 
EB-Streckendiode in Sperrichtung oberhalb von 6V durchbricht. Parallel 
schalten man zum Entprellen noch einen Kondensator von wenigen nF.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Ben B. schrieb:
> wo ein AVR-Pin über einen Vorwiderstand
> direkt an der 230V-Steckdose hing. Die scheinen sich also sehr sicher zu
> sein, daß diese Dioden gut sind.

Dieses Schaltung läuft bei mir schon ein paar Jahre in einem Dimmer. 
Allerdings habe ich den einen Vorwiderstand durch 2 * 1MOhm in Reihe 
ersetzt, hängt ja an 230V und ein normaler Widerstand ist für über 200V 
nicht so gut.
Fürs Kfz würde ich vermutlich irgendwas um 100k - 330k wählen.

Tim M. schrieb:
> Die 0.6W am Spannungsteiler werden
> natürlich nie benötigt

Und 0,1% Genauigkeit ist auch überflüssig.

: Bearbeitet durch User
Autor: Tim M. (tim90)
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Vielen Dank für die Ganzen Vorschläge!
Ihr habt recht - Da habe ich sicherheitstechnisch völlig 
übertrieben...^^
Ich habe jetzt eine neue und einfachere Schaltung entworfen. Was haltet 
Ihr von dieser? (Dieses mal ohne Invertierung)

Bei 100V werden am 10k Widerstand 1W Leistung verbraten - Habe den jetzt 
mit 2W ein wenig überdimensioniert...
Muss ich bei der Z Diode auf irgendetwas besonderes achten, oder kann 
ich da jede im passenden Spannungsbereich nehmen?

Edit: Zu früh gefreut :-(
Der "High" Pegel des AVR macht mir da einen Strich durch die Rechnung:
Laut Datenblatt wird das HIGH Signal erst ab 0.9*Vcc erkannt - Also bei 
5V Vcc: 4,5V -> Das wären auf der Eingangsseite ~16V => schlecht.
Jetzt müsste ich doch wieder mit Transistoren arbeiten? Wenn ich ein 
nicht invertiertes Signal haben möchte sogar mit zwei? NPN -> PNP -> AVR
Oder denke ich da wieder zu kompliziert?

Autor: HildeK (Gast)
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Tim M. schrieb:
> Edit: Zu früh gefreut :-(
> Der "High" Pegel des AVR macht mir da einen Strich durch die Rechnung:
> Laut Datenblatt wird das HIGH Signal erst ab 0.9*Vcc erkannt - Also bei
> 5V Vcc: 4,5V -> Das wären auf der Eingangsseite ~16V => schlecht.

Nein, warum?
10/110*5 = 4.55. Also selbst 5V Eingangsspannung schaffen noch den 
High-Pegel. Bei 16V muss jedenfalls schon längst die Z-Diode die 
Spannung begrenzen.

Ich nehme mal an, dass die gefürchteten 100V nur ganz kurze Spikes sind. 
Darauf musst du den Längswiderstand nicht auslegen, selbst einer mit 
0.25W wird das locker überstehen.

Autor: Dieter (Gast)
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ZD: Wenn AVR mit 3,3V betrieben wird, dann 3,3V ZD
R?: Höher als 10k, z.B. 100k (2x 47k in Reihe).
Es gibt Fail Safe sich opfernde Widerstände.

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Wenn Du den AVR-Pin sowieso mit einer Z-Diode nach GND abblockst 
(könntest dort auch 4,7V bei 5V Vcc verwenden um ganz sicher zu gehen), 
würde ich den 100k-Widerstand nach Masse noch vergrößern. Man müsste mal 
probieren ab wann relevante Störpegel eingekoppelt werden, aber 
vermutlich sind 220/330/470k auch ausreichend und das senkt Dir die 
Einschaltschwelle, ab wann ein Pegel sicher als high erkannt wird.

Die 63mA Sicherung würde ich weglassen. Wenn ich mich nicht verrechnet 
habe, löst die erst bei mehr als 635V am Eingang aus. Sollte das in 
einem Auto jemals der Fall sein, geht's jedem Steuerteil da drin sowieso 
richtig dreckig. Oder willst Du direkt an der Zündanlage messen?

Edit:

Was Du auch machen könntest: Nicht probieren, den High-Pegel zu 
erkennen, sondern den Low-Pegel messen. Dann reicht eine einfache 
Schutzdiode für 1000V (UF4007, Kathode am Eingang) in Serie mit 5kOhm am 
AVR Pin, den Rest macht der AVR mit seinem internen PullUp und den 
Schutzdioden. Um das zu zerstören (mehr als 20mA durch die untere 
Schutzdiode des AVR) bräuchte man -100V am Eingang, bei +1000V passiert 
gar nichts, weil die von der UF4007 Diode gesperrt werden.

Geht aber nur, wenn die zu messende Größe ein Signal ziemlich nahe an 
GND liefert, sonst sinkt die Spannung am AVR-Pin evtl. nicht tief genug 
ab.

: Bearbeitet durch User
Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Tim M. schrieb:
> Ich habe jetzt eine neue und einfachere Schaltung entworfen. Was haltet
> Ihr von dieser?

Nicht begeistert. Zum Einen halten die üblichen Widerstände keine 230V 
aus, wegen der Spannung und wegen der Verlustleistung. Wenn der 
Widerstand durchschlägt, wird wahrscheinlich auch die Zenerdiode kaputt 
gehen und dann ist die Schutzwirkung weg.

Der Kondensator ist gut, aber der 10kΩ Widerstand zu hochohmig, um 
Reflexionen in der Leitung zu unterdrücken.

Hochohmige Widerstände sind gut, um den Mikrocontroller zu beschützen. 
Aber hochohmig abgeschlossene Leitungen sind für Funkstörungen sehr 
empfänglich. Bedenke das.

       100Ω         47kΩ    47kΩ
In o---[===]---+----[===]---[===]---> zum µC
               |
              ===
               |  100nF 
              GND

Ich wäre hier sogar mutig, einen normalen 63V Kondensator und einen 
normalen 100Ω Widerstand zu verwenden. Im Zweifelsfall fackeln diese 
Bauteile an 230V ab, man kann sie leicht erneuern.

Wenn sie die 230V schadensfrei vertragen sollen, dann wähle halt 
entsprechend spannungsfeste Bauteile.

Vor dem µC empfehle ich aber zwei 47kΩ in Reihe, damit sie bei 230V 
sicher nicht durchschlagen. Den µC wollen wir ja beschützen.

: Bearbeitet durch User
Autor: A.H. (Gast)
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> Der "High" Pegel des AVR macht mir da einen Strich durch die Rechnung:
> Laut Datenblatt wird das HIGH Signal erst ab 0.9*Vcc erkannt - Also bei

Ich finde im DB unter V_IH aber 0.7*Vcc (Vcc<2.4V) bzw. 0.6*Vcc 
(Vcc>2.4V) für die meisten Pins. Nur RESET hätte 0.9*Vcc.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Stefanus F. schrieb:
> Zum Einen halten die üblichen Widerstände keine 230V
> aus, wegen der Spannung und wegen der Verlustleistung.

Wie kommst du auf 230V? Der TE möchte gerne im Kfz betreiben.

Autor: Georg M. (g_m)
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> Eingang Transientenschutz

Wer richtig Angst hat, nimmt Optokoppler.

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Matthias S. schrieb:
> Wie kommst du auf 230V? Der TE möchte gerne im Kfz betreiben.

Oh, da habe ich nicht aufgepasst. Dann reicht natürlich ein einfacher 
100kΩ Widerstand anstatt 2×47kΩ.

Autor: Tim M. (tim90)
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Jetzt bin ich ehrlich gesagt ein wenig verwirrt...

Vielleicht erkläre ich noch einmal was genau das Ziel ist.
Mit einem MC möchte ich mehrere Schaltzustände überwachen und 
entsprechend ein paar Ausgänge schalten - Eigentlich keine große Sache.

Zum Einsatz soll ein Attiny84 kommen, der mit 5V versorgt wird 
(natürlich mit Transientenschutz vor dem Spannungswandler)

Der erste Ansatz war die Eingänge mit Spannungsteiler und Clamping 
Dioden zu sichern. Dies wird aber nicht allzu zuverlässig klappen, da 
die Schaltung die meiste Zeit weniger als 5mA verbrauchen soll und es da 
ja zu einer Überspannung führen könnte...

Da das erste schon einmal ausscheidet, hab ich mir gedacht die Schaltung 
so ähnlich wie die Spannungsversorgung zu schützen. Diese ist laut Euren 
Aussagen völlig übertrieben. Sehe ich jetzt auch so :-)

Die Eingänge sollen robust und sicher sein. Diese sollen 100V Peaks 
unbeschadet überstehen 
(http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23)

>Ich finde im DB unter V_IH aber 0.7*Vcc (Vcc<2.4V) bzw. 0.6*Vcc
>(Vcc>2.4V) für die meisten Pins. Nur RESET hätte 0.9*Vcc.
Den Wert hatte ich ganz am Anfang auch genommen.
Da steht aber so schön dabei: Vcc 1.8-2.4V
Eine Zeile weiter unten steht: 0.9*Vcc bei 1.8V-5.5V

>Nein, warum?
>10/110*5 = 4.55. Also selbst 5V Eingangsspannung schaffen noch den
>High-Pegel. Bei 16V muss jedenfalls schon längst die Z-Diode die
>Spannung begrenzen.
Ja, das war auch mein erster Gedanke...
Hab's aber dann simuliert...
Die Z Diode fängt natürlich schon viel früher an zu leiten und zieht mir 
die Spannung durch den Widerstand entsprechend runter.

Autor: A.H. (Gast)
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>>Ich finde im DB unter V_IH aber 0.7*Vcc (Vcc<2.4V) bzw. 0.6*Vcc
>>(Vcc>2.4V) für die meisten Pins. Nur RESET hätte 0.9*Vcc.
>Den Wert hatte ich ganz am Anfang auch genommen.
>Da steht aber so schön dabei: Vcc 1.8-2.4V
>Eine Zeile weiter unten steht: 0.9*Vcc bei 1.8V-5.5V

Und davor steht "Input High-voltage RESET pin" d.h. zu schaust an der 
falschen Stelle.

Autor: HildeK (Gast)
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Tim M. schrieb:
> Ja, das war auch mein erster Gedanke...
> Hab's aber dann simuliert...
> Die Z Diode fängt natürlich schon viel früher an zu leiten und zieht mir
> die Spannung durch den Widerstand entsprechend runter.

Deshalb hab ich 5V1 Z-Diode gewählt.
Die Eingänge erkennen HIGH-Pegel ab 0.6*VCC, bei 5V sind das 3V. Soweit 
geht die Z-Diode nicht nach unten.
Aber 5V Eingangsspannung musst du nicht können, außer die Schaltung 
sollte auch im tiefsten Winter beim Anlassen noch korrekt arbeiten. Dann 
musst du 3V anpeilen. Normale Steuergeräte müssen runter bis 9V 
Batteriespannung korrekt arbeiten.

Autor: Tim M. (tim90)
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>Und davor steht "Input High-voltage RESET pin" d.h. zu schaust an der
>falschen Stelle.
Oh man stimmt... Sorry...

Was haltet ihr von dieser Schaltung? Möchte mich nämlich nicht auf die 
internen Schutzdioden verlassen.
Die Frage ist um wie viel mV erhöht sich die 5V Versorgung im 
Fehlerfall?
Der Gesamtstrom der Schaltung soll im Ruhezustand 1 mA nicht 
überschreiten.

Gesamtstrom der fließt wäre ja bei einem Peak: 100V / 100100Ohm = ca. 
1mA
Welche Erhöhung hätte ich da auf der 5V Seite?
Wie kann man das berechnen?

Wenn ich jetzt davon 4 Eingänge hätte, wären es 4mA die nach Vcc 
geleitet werden.

Autor: Stefanus F. (stefanus)
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Tim M. schrieb:
> Was haltet ihr von dieser Schaltung?

Die Dioden sind alle überflüssig. Schlimmer noch, sie Störung die 
Wirkung von R1 und C1 als Leitungs-Terminierung.

> Die Frage ist um wie viel mV erhöht sich die 5V Versorgung im Fehlerfall?

Das ist doch vollkommen egal. Hast du jemals einen Mikrochip durch einen 
100kΩ Widerstand zerstört (Hochspannung mal ausgenommen)?

> Welche Erhöhung hätte ich da auf der 5V Seite?
> Wie kann man das berechnen?

Gar nicht, da es von zahlreichen unbekannten Faktoren abhängt.
Wenn du ängstlich bist, kannst du ja eine 5,6V Zenerdiode an VCC+GND 
anschliessen, um die Spannungserhöhung zu beschränken.

: Bearbeitet durch User
Autor: 123 Gast (Gast)
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@Stefan erklär doch bitte mal was du damit meinst mit Terminierung. Dir 
ist schon klar oder was Klemme 15 bedeutet? Ich denke nicht... sonst 
wärst du auch nicht auf 230V gekommen. Hör bitte auf den Fragesteller zu 
verwirren.

@Tim
Wenn du externe Clamp Dioden verwendest dann müssen diese eine geringere 
Vorwärtsspannung haben als die internen Clamp dioden.

Der C sollte ein flexi cap sein.

Die Eingansdiode muss eine ausreichend hohe Sperrspannung haben um 
negative Störimpulse zu überstehen.

Autor: 123 Gast (Gast)
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Tip: Hinweise von Hilde sind gut

Autor: HildeK (Gast)
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Tim M. schrieb:
> Was haltet ihr von dieser Schaltung? Möchte mich nämlich nicht auf die
> internen Schutzdioden verlassen.
Bis zu einigen mA kannst du dich schon darauf verlassen.
> Die Frage ist um wie viel mV erhöht sich die 5V Versorgung im
> Fehlerfall?
Die erhöht sich soweit, bis sie den Strom deines Eingangs verbraucht. 
Wenn die Schaltung nominal mehr braucht, dann passiert gar nichts.
> Der Gesamtstrom der Schaltung soll im Ruhezustand 1 mA nicht
> überschreiten.
... und was ist der minimale Strom?

Die Verwendung der Dioden ist dann ok, wenn die Schaltung genügend Strom 
braucht, so dass mit diesem zusätzlichen Strom nur die normale 
Stromversorgung quasi entlastet wird. Bei 4 Eingängen mit je 1mA max. 
und einem Eigenverbrauch ist die Z-Diode notwendig, sonst geht das nicht 
- mit einer Außnahme: du hast ein synchrones Schaltnetzteil. Das kann 
auch belasten.
Du kannst auch die 5V1-Z-Diode direkt an VCC und GND des Prozessors 
hängen, dann wirkt sie für alle vier Eingänge.

Abgesehen davon: die Peaks liegen nur ganz kurz an, das ist kein 
Dauerzustand. Der erste R nach der Diode (100R, sollte eher 1k oder 10k 
sein) zusammen mit dem 100n bügeln schon einiges von dem Peak weg.
Nimm doch mal LTSpice und simuliere die Wirkung!

Übrigens: wenn das Zündschloss auf AUS ist, dann lebt dein LOW von den 
Lasten die sonst noch an KL15 hängen - gut, meist ist da genügend da - 
ich wollte es nur bemerken.

Stefanus F. schrieb:
> Die Dioden sind alle überflüssig. Schlimmer noch, sie Störung die
> Wirkung von R1 und C1 als Leitungs-Terminierung.

Die Dioden, als Schottky ausgeführt sind unter den richtigen 
Randbedingungen schon sinnvoll. Deren Daten kennt man, die der 
ESD-Dioden im Chip sind eher selten spezifiziert. R1 und C1 wurden 
nirgemds benannt oder hab ich was übersehen?
Auch das mit der Terminierung solltest du näher erläutern.

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Ich packe den 100nF Kondi immer direkt an den Pin, so nahe wie möglich, 
damit er mir Störungen wegfiltert. Bei 100k Vorwiderstand würde ich den 
aber kleiner wählen (wenn er am Pin liegt), so 10nF oder auch nur 1nF. 
Ansonsten wird unter Umständen die Verzögerung zu lang bis der kleine 
Strom den Kondensator auf die Umschaltschwelle geladen hat.

Wenn Deine Schaltung auf 5V 1mA verbraucht, kannst Du am Eingang 
dauerhaft 100V anlegen, die Schaltung versorgt sich dann über die 100k 
Ohm.

Man kann auch eine 5V1 Z-Diode zwischen Vcc und GND hängen, falls 
irgendein Eingang die Vcc zu weit anheben könnte.

Ich verstehe aber nicht, warum Du den internen Dioden nicht vertraust, 
wenn sogar Atmel denen in einer application note so sehr vertraut, daß 
sie da 230V direkt über einen Vorwiderstand anlegen. Das haben 
sicherlich einige Entwickler so nachgebaut, wird in weiß nicht wieviel 
Millionen Geräten weltweit so funktionieren.

Autor: Dietrich L. (dietrichl)
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Ben B. schrieb:
> Ich packe den 100nF Kondi immer direkt an den Pin, so nahe wie möglich,

Dann darft du aber keinen Kurzschluss an Vcc machen, denn dann entläd 
sich der Kondensator über die Schutzdioden mit unbegrenztem Strom.
Wenn diese Fall nicht auftritt bzw. auftreten kann ist das OK.

Autor: Tim M. (tim90)
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>Die Dioden, als Schottky ausgeführt sind unter den richtigen
>Randbedingungen schon sinnvoll. Deren Daten kennt man, die der
>ESD-Dioden im Chip sind eher selten spezifiziert
Genau deswegen will ich zur Sicherheit externe Dioden einsetzen.
Die 1N5817 haben laut Spezifikation bei 0.1A weniger als 0,25V 
Vorwärtsspannung. Diesen wären doch OK?

>Man kann auch eine 5V1 Z-Diode zwischen Vcc und GND hängen, falls
>irgendein Eingang die Vcc zu weit anheben könnte.
Ja, aber was passiert mit den Controller wenn auf einmal ein Kurzschluss 
da ist und die Spannung einbricht? => Absturz? / Reset? Kann man das 
verhindern?

Autor: Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)
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Normalerweise sollte bei meinen Schaltungen an Vcc kein Kurzschluß nach 
Masse auftreten, da dies eine interne Spannung ist. Die AlarmSau ist so 
ziemlich das einzige, wo die 5V nach außen geführt sind, um das Terminal 
zu versorgen. Allerdings ist dieser Abgang mit 315mA abgesichert, der 
speisende Wandler liefert wenn's sein muß 3A und hat ziemlich großzügige 
Puffer-Elkos. Der bläst die Sicherung schneller weg, als die Vcc 
gefährlich absinken kann, um da evtl. einen Schaden zu erzeugen.

Die AVR-Pins sind im Normalfall auch ziemlich robust, die überleben 
oftmals sogar Kurzschlüsse nach Plus oder Masse ohne sofort Schaden zu 
nehmen.

Ich habe es bislang nur einmal geschafft, einen AVR-Pin wegzuschießen. 
Das ist durch ein sterbendes HIP4081-Scheißteil an 24V passiert, nicht 
an 5V. Der Pin lag hinterher dauerhaft auf GND, der Kern des Controllers 
zeigte sich eher unbeeindruckt und wenn man diesen Pin per Software auf 
High legen wollte, hatte man eine prima interne Chip-Heizung. Vielleicht 
was für die nächste Marsmission. Naja, da ich wenige Marsmissionen 
durchführe und es unglücklicherweise den benötigten OC-Compare-Pin 
getroffen hatte, flog der Controller trotzdem in die Tonne. Vielleicht 
liegt er auch noch irgenwo rum, ich hatte den defekten Pin damals 
abgebogen und weiß nicht, wo der Controller geblieben ist.

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