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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Schutzbeschaltung für 5V Dig. IO Port


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von ich (Gast)


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Hallo,

Ich stehe gerade vor folgendem Problem und würde gerne von euch wissen, 
wie ihr so etwas lösen würdet.
Ich muss von einer Platine mehrere parallele Busse (3x 8Bit) wegführen. 
Diese müssen dabei folgende Spezifikation einhalten:
Bidirektional,
Spannung: Low <0.8V, High >2.4V (5V Typ).
Strom: >= 20µA (High), -10µA (Low)
Frequenz: bis 100kHz.

Design, Testaufbau, Software laufen. Ich frage mich aber gerade, wie ich 
die Anschlüsse am besten vor Störungen von außen schützen kann.

Ich denke gerade an folgende Beschaltung:

                                 /|
                  zum OK/uC  o--< |--------------.   +
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                                          ___    |   |
                   von OK/uC     o--->|--|___|---o---o-o I/O
                                                 |   |
                                                ---  -
                                                ---  ^
                                                 |   |
                                                 -   -

Die Dioden wären NSR10F40 (Schottky Barrier Diode)
Der Widerstand wäre ein 330Ohm
OK wäre ein SI8640
Den C hätte ich jetzt mal als 6n8, 50V X7R geplant.
Für den Rückweg hätte ich noch einen 74AHC1 Schmitt Trigger angedacht.

Die Bauteil Auswahl erfolgte hauptsächlich weil die gerade da sind, die 
Anforderungen sollten damit erreichbar sein.

Da ich mir bei dem aber nicht sicher bin - ich hatte diese Anforderung 
bisher nicht - würde mich interessieren, wie ihr das ganze lösen würdet.

Danke euch schon mal und wünsche noch einen schönen Tag.

Datenblätter:
NSR10F40: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NSR10F40-D.PDF
SI8640: 
https://www.silabs.com/documents/public/data-sheets/si864x-datasheet.pdf
74AHC1: 
https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74AHC_AHCT1G17.pdf

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Bei alten Druckerschnittstellen bin ich Tiefpässe aus ca 100Ω und 220pF 
gewohnt.

von hinz (Gast)


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ich schrieb:
> OK wäre ein SI8640

Das sind keine Optokoppler.

von -gb- (Gast)


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Wer soll den geschützt werden und vor was?

von ich (Gast)


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-gb- schrieb:
> Wer soll den geschützt werden und vor was?

Die Pins der Koppler/Schmitt Trigger vor der Außenwelt.
Die IO Pins sind eine Anwenderschnittstelle.

von M. K. (mkn)


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ich schrieb:
> Die Pins der Koppler/Schmitt Trigger vor der Außenwelt.
> Die IO Pins sind eine Anwenderschnittstelle.

Heimische PC Umgebung oder raues industrielles Umfeld?
Im ersten Fall hilft schon ein Widerstand am MCU Pin.
Die internen MosFet Body Dioden klemmen das auf GND / VCC.
Die max Werte für den Diodenstrom stehen im DB.
Definiere die maximal zulässige Spannungsspitze und Du hast Deinen 
Vorwiderstand.

Für Industrie wird das dann beliebig kompliziert.
Von einfachen Vorwiderstand bis zu Glasfaserstrecken, je nach 
Anforderung.

von ich (Gast)


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M. K. schrieb:
> Heimische PC Umgebung oder raues industrielles Umfeld?

Ich würde das ganze eigentlich irgendwo in der mitte zwischen diesen 
beiden extremen einordnen.
Im Prinzip ist das ganze im Labor Betrieb.
Das bedeutet:
Zum einen sollte das ganze ein unter Spannung stecken überleben
Beim Stecken/trennen können auch mal unerwünschte Verbindungen zwischen 
einzelnen DIOs entstehen, wodurch Ausgang auf Ausgang treffen kann.
Auch kann eine Fremdspannung (<60V) nicht ausgeschlossen werden.

Auf der anderen Seite sollen Störungen von außen abgehalten werden. Hier 
bin ich allerdings überfragt, welche Angaben dabei relevant sind. In der 
nähe sind ein paar Messgeräte und ein PC zu finden.

von MaWin (Gast)


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ich schrieb:
> Ich denke gerade an folgende Beschaltung

Sieht falsch aus. Vor allem die Diode ruiniert den Signalpegel.

100kHz ist zwar nicht ransend schnell, aber Kondensatoren solten die 
Flanken dennoch nicht zu sehr verschleifen.

Schottky nach plus und Masse sind ok, schnell genug, geringe Kapazität, 
Leckstrom egal, aber ein (relativ niederohmiger, deine 330R) Widerstand 
sollte VOR die Schottky Richtung Ausgang. Dann kann man dahinter normale 
HC-MOS ICs direkt anschliessen.
Und als Eingang Schmitt-Trigger.

von Clamping for fun (Gast)


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Deine Schaltung hat Nachteile (die nicht unbedingt ein Problem sein 
müssen):
Wenn das Signal extern ansteht, und deine Versorgung nicht da ist, kann 
die Platine das Signal kurzschließen. Weil:
Signal = 5V, deine Versorgung =0V -> Viel Strom.
Kann mit magischen Rauch verbunden sein, muss aber nicht. Das ist ein 
beliebtes Problem bei UART-TX-Leitungen in Verbindung mit FT232-Kabeln 
;-)

Wenn du versehentlich eine (höher) Versorgungsspannung auf das Signal 
bringst, steigt dein VCC an, und tötet deine Platine.

Ich verwende in solchen Fällen 74LVC-Gatter und ESD-Dioden (z.B. PESD5V0 
für 3V3-Leitungen). Ein Serienwiderstand kann die Diode vor beliebigen 
Spannungen schützen (mit 100k auch gegen 230VAC).

Aber wie schon erwähnt: Nicht überall ist das relevant, weshalb man 
Clamping oft sieht.

Oft tuts auch ein simpler 220Ohm-Widerstand in Serie.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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ich schrieb:
> Auch kann eine Fremdspannung (<60V) nicht ausgeschlossen werden.

Und die kannst du einfach so mit Dioden an die 5V Schiene ableiten? Von 
wie viel Strom reden wir da eigentlich?

von ich (Gast)


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Danke für euere Antworten.

Clamping for fun schrieb:
> Wenn das Signal extern ansteht, und deine Versorgung nicht da ist, kann
> die Platine das Signal kurzschließen. Weil:
> Signal = 5V, deine Versorgung =0V -> Viel Strom.
> Kann mit magischen Rauch verbunden sein, muss aber nicht.
Die Externe Versorgung wird auf der selben Platine bereitgestellt, die 
auch die Ausgänge enthält. Dieser fall sollte im Normalbetrieb also 
nicht auftreten. Blöd wirds natürlich, wenn aus versehen eine 
Fremdspannung anliegt.

Stefan ⛄ F. schrieb:
>> Auch kann eine Fremdspannung (<60V) nicht ausgeschlossen werden.
>
> Und die kannst du einfach so mit Dioden an die 5V Schiene ableiten? Von
> wie viel Strom reden wir da eigentlich?
Genau deshalb frage ich nach - wie gesagt ist mir persönlich so etwas 
noch nicht untergekommen.
Den fall hatte ich in meinen Gedanken noch gar nicht am Schirm. Die 
Fremdspannung kann im aller schlimmsten Fall mehrere A bringen.

Ich werde nachher mal versuchen, die bisherigen Anregungen in meine 
Skizze zu übernehmen und diese dann noch einmal hier posten.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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ich schrieb:
> Den fall hatte ich in meinen Gedanken noch gar nicht am Schirm. Die
> Fremdspannung kann im aller schlimmsten Fall mehrere A bringen.

Dann brauchst du Sicherungen und Supressor-Dioden. Ich weiß allerdings 
nicht, wie stark diese Dioden dein Nutzsignal belasten. Das solltest du 
klären.

: Bearbeitet durch User
von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Gegen Überspannungen und Verpolung gibt es Mehrfachschottkydioden, die 
alles Richtung Spannungsversorgung ableiten, dort kann dann eine 
Transzorbdiode ohne Kapazitätsprobleme die Energie abfangen.

Oder auch Mehrfach-Überspannungsschutzdioden mit kleiner Kapazität z.B.
https://docs.rs-online.com/2f70/0900766b80b4bf62.pdf
vierfach, BZA408B von Nexperia, <75pF

: Bearbeitet durch User
von Gustl B. (-gb-)


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ich schrieb:
> Die Pins der Koppler/Schmitt Trigger vor der Außenwelt.
> Die IO Pins sind eine Anwenderschnittstelle.

Um welchen Baustein geht es denn konkret? Geht es um digital IOs von 
einem uC?

Ich möchte nur zu bedenken geben, dass viele Bausteine schon EDS Dioden 
eingebaut haben. Hier das ist ein NAND mit Schmidt Trigger Eingängen, 
und das hat ESD-Schutz. 
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc2g132.pdf

Also statt zusätzlicher Schutzdioden würde ich wenn möglich einen IC 
verwenden der die schon eingebaut hat.

von M. K. (mkn)


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Clamping for fun schrieb:
> Oft tuts auch ein simpler 220Ohm-Widerstand in Serie.

Bei 60V eher so 3K, wenn I<20mA sein soll.

Da sicherlich kein Stecker mit vorrauseilendem GND Kontakt verwendet 
wird, müssen die Widerstände auch den Strom begrenzen wenn der GND erst 
nach VCC und IOs da ist.

Schützen ist nicht so das Thema, das tuen die simplen Vorwiderstände 
ausreichend.
Saubere Pegelerkennung wird irgendwann schwierig.

Aber eigentlich wissen wir ja fast nichts, daher ist es schwer was zu 
raten.
Anwenderschnittstelle mit einem Stecker der Verpolung und Kurzschlüsse 
zulässt und an dem 0 - X Meter Kabel hängen, in dem 'irgendwelche' 
Signale laufen.

von ich (Gast)


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Hallo,

Gustl B. schrieb:
> Um welchen Baustein geht es denn konkret? Geht es um digital IOs von
> einem uC?

Siehe meinen Initialen Post: Die Signale kommen bzw. gehen jeweils zu 
einem Pin eines SI8640.

M. K. schrieb:
> Aber eigentlich wissen wir ja fast nichts, daher ist es schwer was zu
> raten.
> Anwenderschnittstelle mit einem Stecker der Verpolung und Kurzschlüsse
> zulässt und an dem 0 - X Meter Kabel hängen, in dem 'irgendwelche'
> Signale laufen.

Wie bereits im eingangs Beitrag erklärt, bin ich bei dieser 
Aufgabenstellung überfragt (desshalb bitte ich um Hilfe) - es kann daher 
sein, das ich wichtige Informationen nicht vorab geliefert habe (ist mir 
in dem Fall eben nicht bewusst, dass das wichtig ist). Wenn was fehlt, 
darf gerne nachgefragt werden - ich versuche die Infos su gut wie 
möglich nachzuliefern.
Die Anwenderschnittstelle ist als  LGA Block 
(https://de.wikipedia.org/wiki/Land_Grid_Array) ausgeführt und 
mechanisch geführt. Ich habe allerdings die Gegenseite nicht unter 
Kontrolle. Diese kann Kurzschlüsse, Fremdspannunngen, usw. verursachen.
Zwischen meiner Schaltung und dem Übergabepunkt liegen 2-3m Kabel, 
geschirmt.
Jeder Bus hat 8Bit Daten, 4x GND, 2x5V (el. Spezifikation s. Oben).

von M. K. (mkn)


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3*8bit mit max 100Khz, die Du über 3m führen möchtest und die angeblich 
ein LGA als Gegenpart hat (im Leben nicht!) und natürlich zu allen 
Überfluss Hot Swap fähig sein muss.

Das wird mir zu anstrengend.
Als Auftragsarbeit mache ich das, sonst müsst Ihr jemanden die Aufgabe 
geben der ihr auch gewachsen ist.

von Gustl B. (-gb-)


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Ich bin da kein Experte, aber die SI8640 würde ich als sehr robust 
einschätzen. Ich selber habe schon oft die SI866x zur galvanischen 
Trennung verwendet und hatte da noch nie einen Defekt.

von Gustl B. (-gb-)


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M. K. schrieb:
> Das wird mir zu anstrengend.

Du bist freiwillig hier.

: Bearbeitet durch User
von Achim H. (anymouse)


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Ich würde einen Widerstand vor UND nach den Clamping-Dioden setzen. Der 
nach extern verringert die Chance, dass die Clamping-Dioden verglühen; 
der nach intern schützt vor der Spannung aufgrund der endlichen Spannung 
über der Diode.

Optimal scheint mir, den extern weisenden Widerstand als kleinen SMD-Typ 
(0402?) mit viel Platz zum Wechseln auszuführen -- bei stark überhöhter 
Fremdspannung brennt der dann hoffentlich durch.

von ich (Gast)


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M. K. schrieb:
> 3*8bit mit max 100Khz, die Du über 3m führen möchtest und die angeblich
> ein LGA als Gegenpart hat (im Leben nicht!)

Kannst du mir bitte erklären, wie du auf das kommst?
Die Mechanik ist wie sie ist und erfüllt die Anforderungen.

> und natürlich zu allen
> Überfluss Hot Swap fähig sein muss.

Ja, soll es öfters wo geben?

> Das wird mir zu anstrengend.
Schade.

Gustl B. schrieb:
> Ich bin da kein Experte, aber die SI8640 würde ich als sehr robust
> einschätzen. Ich selber habe schon oft die SI866x zur galvanischen
> Trennung verwendet und hatte da noch nie einen Defekt.

Danke, Interessanter Ansatz.

Danke auch allen anderen - jetzt hab ich mal ein wenig zum lesen. Werde 
mich dann morgen wieder melden.

von M. K. (mkn)


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Gustl B. schrieb:
> Du bist freiwillig hier.

War ...

von ich (Gast)


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Hallo und guten Morgen,

Ich habe jetzt mal versucht, aus den Vorschlägen was zu machen.
                            /|
             zum OK/uC  o--< |-.
                            \| |
                               |
                               |
                               |
                         R1_   |           PTC_
           vom OK/uC  o-|___|--o------o---|_--_|-
                               |      |
                              ---     |
                           C1 ---     z
                               |      A
                               |      |
                               |      |
                               |      |  D1
                               |      |
                               |      V
                               |      z
                               |      |
                               |      |
                              ===    ===
                              GND    GND
R1: 100-330Ohm (~2,2 - ~7MHz TP Grenzfrequenz bei 220pF)
C1: 220pF
PTC: Polyfuse o.Ä. (muss ich erst was passendes suchen)
D1: PESD12V1L1BA 
(https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/PESDXL1BA_SER.pdf)

Was haltet ihr von diesem Ansatz?

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Polyfuses sind sehr träge, ich bezweifle dass du damit Halbleiter 
beschützen kannst. Die taugen eher dazu, Transformatoren, Kabel und 
Leiterbahnen zu beschützen.

Wenn sie einmal ausgelöst haben, erhöht sich ihr Innenwiderstand stark. 
Das könnte deine Signale beeinträchtigen, je nach dem, welche Polyfuse 
du verwendest.

von M. K. (mkn)


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ich schrieb:
> Was haltet ihr von diesem Ansatz?

Nix.
Sicherungen und gerade selbstrückstellende PTCs sind Leitungsschutz und 
viel zu langsam um Halbleiter schützen zu können.

Wenn Du 100Khz auf 3m Kabelkapazität tackern willst, geht das mit 
kleinen Serienwiderständen, die gerade noch Deine Out auf Out 
Kurzschlüsse absichern können. 60V Peaks grillen dann aber Deine 
Halbleiter, wenn Du das nicht massiv dimmensionierst.

Große Halbleiter haben aber große parasitäre Kapazitäten.
Für große Serienwiderstände ist die Kabelkapazität bei 100Khz aber zu 
hoch.

Du wirst Probleme auf VCC und GND bekommen.,
Die GND Probleme werden so aussehen, das der Spannungsabfall auf dem 
Kabel Deinen Bezugspunkt anhebt und Du low nicht mehr sauber erkennen 
kannst.
VCC zu übertragen ist auch sinnlos, weil am Ende keine stabile 
Versorgung mehr rauskommt.

Euer ganzes Konzept scheint mir ziemlich gegen die Wand gefahren zu 
sein.
Statt serieller Übertagung setzt ihr auf massiv parallel, aber es muss 
ja unbedingt ein LGA ohne Kurzschluss und Verpolschutz sein und ohne 
vorrauseilenden GND, der dann auch noch im Betrieb gesteckt werden muss.

Ihr habt nicht verstanden warum das alles eine dumme Idee ist und 
versucht jetzt mit dem gleicher Verständniss die daraus resultierenden 
Probleme wegzubeten.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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ich schrieb:
> Was haltet ihr von diesem Ansatz?

Die Frage sollte eher lauten: was hält die Realität von diesem Ansatz? 
Bzw. weniger provokant formuliert: löst diese Schaltung dein Problem?

Ich habe da Zweifel. Hängt aber sicher ganz stark von der Wahl des PTC 
ab. Probiere es halt aus. Ist ja deine Aufgabe, nicht unsere.

von ich (Gast)


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M. K. schrieb:
> Euer ganzes Konzept scheint mir ziemlich gegen die Wand gefahren zu
> sein.
> Statt serieller Übertagung setzt ihr auf massiv parallel, aber es muss
> ja unbedingt ein LGA ohne Kurzschluss und Verpolschutz sein und ohne
> vorrauseilenden GND, der dann auch noch im Betrieb gesteckt werden muss.
Solche Situationen kommen schon mal vor, wenn in einem >25 Jahre 
bestehenden System Teile überarbeitet/erneuert werden müssen. Mir wäre 
was Serielles auch lieber, ist aber hald nicht drinn.
Verpolungsschutz ist durch die Mechanik gegeben. Allerdings kann auch 
die Gegenstelle einen Fehler haben. In dem Fall soll eben nichts 
brennen.

> Sicherungen und gerade selbstrückstellende PTCs sind Leitungsschutz und
> viel zu langsam um Halbleiter schützen zu können.


> Wenn Du 100Khz auf 3m Kabelkapazität tackern willst, geht das mit
> kleinen Serienwiderständen, die gerade noch Deine Out auf Out
> Kurzschlüsse absichern können. 60V Peaks grillen dann aber Deine
> Halbleiter, wenn Du das nicht massiv dimmensionierst.
Ok, sehe ich ein. Dann muss der Punkt 60V wohl von der Liste diskutiert 
werden (gibts bisher auch nicht).

> Du wirst Probleme auf VCC und GND bekommen.,
> Die GND Probleme werden so aussehen, das der Spannungsabfall auf dem
> Kabel Deinen Bezugspunkt anhebt und Du low nicht mehr sauber erkennen
> kannst.
Kann ich persönlich nicht einschätzen. Daher versuche ich ja Experten 
Rat zu bekommen. Bisher sind die 12 GND Verbindungen ausreichend um die 
Daten zuverlässig zu übertragen.  - Werde ich auf jeden fall im 
Hinterkopf behalten, und mal im Aufbau nachmessen.

> VCC zu übertragen ist auch sinnlos, weil am Ende keine stabile
> Versorgung mehr rauskommt.
Damit hast du natürlich recht. Die Gegenseite hat dafür entsprechende 
Vorkehrungen (Regelt die Versorgung auf 3V3 und regeneriert die 
Signale).

Stefan ⛄ F. schrieb:
> Wenn sie einmal ausgelöst haben, erhöht sich ihr Innenwiderstand stark.
> Das könnte deine Signale beeinträchtigen, je nach dem, welche Polyfuse
> du verwendest.
Man lernt nie aus. Auf die Idee sowas nachzuschlagen oder gar 
nachzumessen bin ich noch nicht gekommen. Das muss ich gleich mal 
machen.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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ich schrieb:
> Auf die Idee sowas nachzuschlagen oder gar
> nachzumessen bin ich noch nicht gekommen

Ich bin darauf gestoßen, weil an meinem Laptop nach einem Kurzschluss an 
USB an diesem Port alles noch funktionierte, außer externe Festplatten.

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