Hallo, Ich würde mich freuen wenn mir zu dieser Schaltung jemand eine Funktionserklärung geben könnte wie genau das mit den Schottky-Dioden sich verhält bezüglich dem Zusammenhang das man einen Spannungsbereich einstellen muss von +UB +0,3V und 0V -0,3V. Das Problem was ich auch vom Verständnis habe ist laut der Kennlinie von der BAT42 ändert sich ja die Durchlassspannung sobald ein anderer Strom durchfließt; das heißt bei 0,3V (Uf) habe ich einen Strom von 3mA also brauche ich einen Widerstand der mir diesen Pegel hält aber mit einer anderen Spannung am Vorwiderstand habe ich doch wieder einen anderen Strom z.B. 4V? Muss ich mit einem anderen Bauteil rumhantieren wenn es um eine Bereichseinstellung geht? Kennlinie BAT42: https://www.vishay.com/docs/85660/bat42.pdf (2.Seite) Mfg, DiodenManu
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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.
DiodenManu schrieb: > erklärung geben könnte wie genau das mit den Schottky-Dioden sich > verhält bezüglich dem Zusammenhang das man einen Spannungsbereich > einstellen muss von +UB +0,3V und 0V -0,3V. Der Zweck der Schaltung besteht nicht darin irgend etwas einzustellen. Die Schaltung soll die Spannung am AD-Eingang begrenzen. > Das Problem was ich auch vom Verständnis habe ist laut der Kennlinie > von der BAT42 ändert sich ja die Durchlassspannung sobald ein anderer > Strom durchfließt Im Normalfall soll gar kein Strom durch die Dioden fließen. Nur im Fehlerfall, wenn die Spannung ganz links (also noch vor dem 1K Widerling) groß positiv oder negativ wird. Rechne halt einfach mal für +50V und -10V.
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? Wie 'unabhängig von der Meßspannung'? Die Meßspannung ist wie beschrieben begenzt. Du meinst wohl 'unabhängig von der BETRIEBSSPANNUNG +UB", nicht wahr?! Nun, wenn das Gerät eine Betriebsspannung von einem Megavolt hätte, dann ja...
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.
batman schrieb: > Unabhängig von der Meßspannung, also auch bei 1MV? Natürlich. Der Strom in den Eingang wird Stefanus F. schrieb: > Solange man den Strom auf maxmal 2mA begrenzt also liegt ein 500MOhm Widerstand vor dem Eingang
1 | ................... |
2 | : +--|>|-- VCC : |
3 | : | : |
4 | Messspannung--500MOhm--:--+--ADC : |
5 | : | : |
6 | : +--|<|-- GND : |
7 | :.................: |
und weil der IC interne Schutzdioden hat fliesst nicht bloss nur 2mA ssondern entwickelt sich keine Spannung über VCC*0.7V an Eingangspin. (Allerdings sind 500MOhm Eingangswiderstand für den ADC zu hoch, vor 1MV kann man also nicht so einfach schützen).
https://www.arrow.com/en/reference-designs https://www.analog.com/en/design-center/reference-designs.html https://www.maximintegrated.com/en/design/reference-design-center.html .. und zum besseren diskutieren und simulieren das Schaltbild aus der 1. Anfrage ... ohne Bewertung :-)
DiodenManu schrieb: > Eigen Bedarf DiodenManu schrieb: > Die Aufgabe konkret lautet Naja. Bei welcher maximalen Eingangsspannung sollen denn die +-0,3V erreicht werden? DiodenManu schrieb: > aber mit dieser Zener-Diode werden ja alle höheren Spannungen auf 3,3V > letztlich stabilisiert Du hast schon mal nachgesehen, wie lausig die Kennlinie einer solchen "Zenerdiode" aussieht? Da können bei 1V schon mal 15µA fließen, ohne dass man sich schräg anschaut. Und die 3,3V hat das ding dann bei 5mA... Siehe z.B. auch den Beitrag "3.3V Z-Diode erzeugt nur 2.57V" DiodenManu schrieb: > Da dachte ich eben gleich an dieses Schottky-Dioden Prinzip Und auch Schottkydioden glänzen nicht gerade durch niedrigen Sperrstrom. Da müssen auf jeden Fall (wie shcon gesagt) Low-Leakage-Dioden rein. Und wenn dir das egal ist, weil es nicht in der aufgabe steht, dann nimm eine LL103, die hat bei den hier auftretenden Strömen locker unter 0,3V. DiodenManu schrieb: > ESD-Gründe Entladungen hält man aber auf andere Art vom Eingang ab...
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Bearbeitet durch Moderator
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).
Es gibt solche Schutzdioden auch als kleines SMD-Array, z.B. https://www.diodes.com/assets/Datasheets/D5V0F6U8LP33.pdf für 6 Datenleitungen. Anstelle der Verbindung nach Plus ist hier eine Zenerdiode enthalten. Übersicht: https://www.diodes.com/products/discrete/protection-devices/data-line-protection/
Christoph db1uq K. schrieb: > Es gibt solche Schutzdioden auch als kleines SMD-Array Und die sind genau für solche ESD-Geschichten gemacht. Allerdings können die eben auch nicht die absurd strenge "Aufgabe" mit den +-0,3V erfüllen. Und ich vermute auch, dass das für den Zweck "ESD-Schutz" überhaupt nicht relevant ist. Denn dafür sucht man dann eher solche Bauteile: https://katalog.we-online.de/de/pbs/browse/emc_components/esd_protection
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Bearbeitet durch Moderator
empfehlenswert .. https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/apr/protecting-inputs-in-digital-electronics
DiodenManu schrieb: > ... > 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. RailToRail IN/OUT OPAMP mit Versorgung an UB als Impedanzwandler davor wäre die HighEnd Schutzschaltung davor. Hat natürlich auch Nachteile, aber keine für diese dürftige Angabe relevanten. Natürlich sollte man den OPAMP Eingang auch schützen. Aber das geht viel leichter als die uC ADC Pins.
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