Schutzschaltung für Analogeingang Mikrocontroller

DiodenManu schrieb:
> Ich würde mich freuen wenn mir zu dieser Schaltung jemand eine
> Funktionserklärung geben könnte

Hausarbeit oder eigener Bedarf?
Hausarbeit = selber machen
eigener Bedarf = eigenes Problem beschreiben

Hallo,

Eigen Bedarf
Es geht um eine Schutzbeschaltung für mehrere Analogeingänge vom Arduino 
Uno mit dem selben Schaltprinzip.

Die Sache ist die: Ich habe ein einstellbares Netzgerät das mit einem 
PCF8574A, Opto-MOSFETS und einem Spannungsregler mit Konstantstromquelle 
letzten endes Leistungswiderstände betreiben soll. Dabei möchte ich mir 
die Temperatur der Widerstände, den Strom und Spannung auf einem 
LC-Display anzeigen lassen. Das mache ich über den Arduino. Da der 
Arduino aber an seinen Analogeingängen max. nur 5V sehen kann (und ich 
mir Spannungen über 5V anzeigen lassen will) wollte ich die 
Maximalspannung runter setzten auf 3,3V, um gar nicht erst in den 
überlasteten Bereich zu kommen, und dann Programmtechnisch die 
Spannungswerte mit einem jeweiligen Faktor hochrechnen lassen damit ich 
dann auf meine höheren Spannungswerte komme und die an das Display 
ausgeben bzw. anzeigen lassen kann.

Es geht rein um eine visuelle Überlegung wie ich es erreiche das alle 
Spannungen demnach alles was über 3,6V und unter -0,3V fällt durch 
ESD-Gründe  von den Schottky-Dioden auf meine 3,3V oder 0V (Masse) am AD 
Eingang schütze.
Dabei verstehe ich nicht wie ich die Durchlassspannung genau auf 0,3 
setze könnte bzw. einstelle.

Der Spannungsregler ist: 
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/3081fc.pdf

Die Zenerdiode und der 1k Widerstand genügen.

Bedenke aber, dass die Zenerdiode schon bei deutlich weniger als 3,3k 
Ohm leitend wird und deine Messung beeinflusst. Bis ca 2,5V kannst du 
auf diese Weise problemlos messen.

Die Idee der Shottky Dioden beruht darauf, dass sie eine geringere 
Spannung haben, als die ESD Schutzdioden im ADC (google nach "ESD Schutz 
CMOS"). Über- und Unterspannung wird daher am IC vorbei abgeleitet. Aber 
Achtung: Eine Überspannung mit genug Strom würde die Versorgungsspannung 
der gesamten Schaltung anheben - wenn dagegen keine weiteren 
Schutzmaßnahmen vorhanden sind.

Die ADC Eingänge von AVR Mikrocontrollern funktionieren mit 10k Ohm 
Widerständen noch tadellos. Die ESD Schutzdioden im AVR vertragen 
mindestens 2mA dauerhaft. Folgende Schaltung bietet daher Schutz für bis 
zu 25 Volt und höhere kurze Peaks:

1

        10k

2

On o---[===]---+-----+----> ADC Eingang

3

               |     |

4

              |~|   ===

5

         10k  |_|    |  100nF

6

               |     |

7

              GND   GND

Für mehr kannst du noch eine Zenerdiode hinzufügen.

Stefanus F. schrieb:
> Die Zenerdiode und der 1k Widerstand genügen.

Eine Zenerdiode hat an einem ADC-Eingang nichts zu suchen!

Verwende einen Spannungsteiler am Eingang, wobei Dein jetziger 1 kOhm 
Widerstand >= 10 kOhm wird. Das ist hochohmig genug, um den Eingang vor 
Überspannung zu schützen. Die Schutzdioden sind im µC schon vorhanden.
Ganz wichtig: vom ADC-Eingang gegen GND gehört ein Kondensator 10 - 100 
nF, der die Stromspitze für den SH-Kondensator (SH = Sample&Hold) 
liefert.

Sofern die Meßrate < 100 Hz beträgt, kannst Du mit dem Teiler am Eingang 
auch auf >= 100 kOhm gehen. Bei niedrigen Abtastraten bleibt der 
Eingangsstrom des ADC gering, der der SH-Kondensator nicht oft geladen 
werden muß. Ins Datenblatt sehen bzw. in der Schaltung überprüfen.

DiodenManu schrieb:
> wie genau das mit den Schottky-Dioden sich
> verhält

Na, sie leiten Strom ab wenn die Spannung grösser 3.3C(+0.4V)bzw. 
kleiner 0V(-0.4V) wird, so dass die überschüssige Spannung am 1k 
verbraten wird.

ABER: Die BZX3.3 ist so schlecht, dass sie schon ab 2.5V zu leiten 
beginnt und der Spannungsabfall an den 1k wegen des Stroms zu 
Messfehkern führt.
Zudem haben Schittkydioden durchaus erhebliche Rückwärtsströme, so dass 
immer etwas Strom fliesst, der an den 1k zu Messfehlern führt. Daher ist 
diese Beschaltung schlecht. Besser hochsperrende BAS40, BAV99 oder 
BAV199 und die Z-Diode an die Versorgungsspannung:

1

                    +-|>|- +3.3V --+--

2

                    |              |

3

Eingang --10k--+----+--1k--| ADC BZX3V9

4

               |    |              |

5

              10nF  +-|<|- GND ----+--

6

               |     BAV199        |

7

              GND                 GND

Warum das besser ist und wann die Z-Diode (die besser eine TL431 sein 
sollte) nötig ist müsste man noch erklären. Die Anordnung schützt genau 
so, führt aber zu keinem Messfehler mehr.

Wenn man zwischen den Ableit-Dioden und AVR noch einen 220 Ohm 
Widerstand packt, dann kann man ganz banale 1N4148 verwenden. Selbst 
wenn deren Spannung ein paar mV höher sein sollte, als die der internen 
Schutzdioden, würde der Widerstand den Strom ausreichend begrenzen.

MaWin schrieb:
> Besser hochsperrende BAS40, BAV99 oder

Stefanus F. schrieb:
> Wenn man zwischen den Ableit-Dioden und AVR noch einen 220 Ohm
> Widerstand packt

Was soll das? Entsorgung von unnötigen Bauteilen?
Weniger ist im voliegenden Fall mehr!

Ok danke für die schnellen Antworten bis jetzt :) dann habe ich das mit 
den Schottky-Dioden falsch verstanden. Damit ist dann wohl was anderes 
gemeint. Ich mache halt momentan den praktischen Aufbau einer älteren 
praktischen Prüfung für mich selbst und dabei ist diese eine Aufgabe die 
einzige zu der ich keinen Ansatz finde:

Die Aufgabe konkret lautet:

Die Analogeingänge des Mikrocontrollers können durch zu hohe 
Überspannungen beschädigt werden. Entwerfen Sie eine Schaltung, mit der 
die Analogeingänge gegen zu hohe und zu niedrige Spannungen geschützt 
werden können.
Dabei sind maximal +UB +0.3V bzw. 0V -0,3V zugelassen.

Da dachte ich eben gleich an dieses Schottky-Dioden Prinzip aber da muss 
ich mir ja was anderes überlegen.

DiodenManu schrieb:
> Dabei sind maximal +UB +0.3V bzw. 0V -0,3V zugelassen.

Das ist die Krux an der Sache: Eine sinnlose Anforderung.

Solange man den Strom auf maxmal 2mA begrenzt, darf die Eingangsspannung 
durchaus außerhalb dieser Grenzen liegen. Deswegen genügt ein einfacher 
Spannungsteiler.

Der Hickhack mit zusätzlichen Dioden schafft (wie einige bereits 
bemerkten) unnötige negative Seiteneffekte, denen man begegnen muss - 
sofern man auf ordentliche Messergebnisse Wert legt.

DiodenManu schrieb:
> Dabei sind maximal +UB +0.3V bzw. 0V -0,3V zugelassen.

Unabhängig von der Meßspannung, also auch bei 1MV?

batman schrieb:
> Unabhängig von der Meßspannung, also auch bei 1MV?

Ja also an sich soll sich das im 0-5V Bereich befinden aber mit dieser 
Zener-Diode werden ja alle höheren Spannungen auf 3,3V letztlich 
stabilisiert; und da der Arduino eine +3,3V und +5V Quelle "OnBoard" 
hat, denke ich, dass man es hier schon auf die 3,3V Quelle absieht. Im 
Arduino-Programm werden diese Spannungswerte sowieso digital noch 
hochgerechnet mit verschiedenen Faktoren bzw. Quotienten. Ich habe das 
auch schon nachgerechnet; man kommt auf exakt alle Werte. Der Arduino 
kann ja nur max. 5V an den Analogeingängen annehmen darum diese Idee, es 
mit dem Programm zu lösen um alle höheren Spannungen auf dem LC-Display 
anzeigen zu können. Der Spannungsregler ist auch nur mit +12V versorgt 
und laut Programm gehen die Spannungsstufen die vom Arduino angezeigt 
werden nur bis 10,7V. Ist halt vom Programm festgelegt.

MaWin schrieb:
> Zudem haben Schittkydioden durchaus erhebliche Rückwärtsströme, so dass
> immer etwas Strom fliesst, der an den 1k zu Messfehlern führt.

Ganz schlimm.
Für die BAT42 wird bei 25°C und 25V ein maximaler Leckstrom von 0.5µA 
angegeben. An 1kΩ ergibt das max. einen Spannungsabfall von 0,5mV. Erst 
bei höheren Temperaturen oder genaueren ADCs wird das Thema Leckstrom in 
so einem Aufbau relevant (siehe Fig.3 im DB).