Spannungsteiler: niedrigere Ausgangsspannung bei 90 °C

[Ralf (Gast)]

Hallo,

ich habe einen kuriosen Effekt an einem Spannungsteiler. Am Eingang 
liegen 225V AC an. Mit dem Spannungsteiler wird die Spannung herunter 
geteilt. Die positive Spannung wird mit einer Z-Diode, die negative 
Spannung mit einer Schottkydiode begrenzt.

Das kuriose ist, daß die Ausgangsspannung bei 90 °C um 1 V kleiner ist 
als bei 40 °C. Die Widerständ haben 100PPM/°C, hier hat man ja nur wenig 
Änderung des Widerstandswerts.

Maximalwert des Sinus ist ca. 320 V. Das ergibt am Ausgang des 
Spannungsteilers eine Spannung von 3,9 V. Gemessen habe ich ca. 3,8V, 
stimmt also ungefähr. Die 50K Temperaturdifferenz sind am Widerstand 
0,5% Änderung des Widerstandswertes. Zudem werden alle Widerstände warm, 
was das Teilerverhältnis nicht ändert. Woher kommt dann die niedrigere 
Spannung am Ausgang bei 90 °C?

Liegt es an den Dioden? Es ist ein STM32 am Ausgang angeschlossen. Es 
ist kein Pull-UP / Pull-Down Widerstand im STM32 aktiviert.

Grüße
Ralf

[Ralf (Gast)]

anbei die Datenblätter der Dioden

[Jens M. (schuchkleisser)]

Nimm mal die Diode(n) raus, ich schätze die Zener leckt wenn sie heiß 
wird.

Warum muss das so warm sein? Das ist auch für den Proz nicht gut, Data 
Retention und so.

[MaWin (Gast)]

Ralf schrieb:
> Das kuriose ist, daß die Ausgangsspannung bei 90 °C um 1 V kleiner ist
> als bei 40 °C.

Wieso ist das kurios ? Normal für Halbleiter. Der Lechstrom nimt zu, die 
Vorwartsspannung sinkt. Bei deinen 400uA hat das schon einen Einfluss.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Ralf schrieb:
> ich habe einen kuriosen Effekt an einem Spannungsteiler. Am Eingang
> liegen 225V AC an. Mit dem Spannungsteiler wird die Spannung herunter
> geteilt. Die positive Spannung wird mit einer Z-Diode, die negative
> Spannung mit einer Schottkydiode begrenzt.

Warum die Schottky? Die Z-Diode begrenzt die negative Spannung doch auch 
schon auf eine (Si-)Flußspannung.

> Das kuriose ist, daß die Ausgangsspannung bei 90 °C um 1 V kleiner ist
> als bei 40 °C

Daran ist gar nichts kurios. Schottky-Dioden haben einen deutlich 
höheren Sperrstrom als normale Dioden. Der noch dazu schnell mit der 
Temperatur ansteigt. Das Datenblatt für deine Schottky taugt nichts. 
Schau mal in ein vernünftiges, z.B. das hier im Forum verlinkte für die 
BAT42.

[Chris K (Gast)]

PS Welchen stm32 hast du denn genau verbaut? Bei einigen sind 85 Grad 
die Obergrenze für die volle Performance. Darüber ist nur low power 
Betrieb erlaubt.

[Ralf (Gast)]

Axel S. schrieb:
> Warum die Schottky? Die Z-Diode begrenzt die negative Spannung doch auch
> schon auf eine (Si-)Flußspannung.

Weil die negative Spannungshöhe für den STM32 zu hoch ist.

[Ralf (Gast)]

Chris K schrieb:
> PS Welchen stm32 hast du denn genau verbaut? Bei einigen sind 85 Grad
> die Obergrenze für die volle Performance. Darüber ist nur low power
> Betrieb erlaubt.

Ist ein Extremtest, kein Normalfall. Normal ist eine Temperatur bis 80 
°C auf der Platine.

[Falk B. (falk)]

Ralf schrieb:
> Hallo,
>
> ich habe einen kuriosen Effekt an einem Spannungsteiler. Am Eingang
> liegen 225V AC an. Mit dem Spannungsteiler wird die Spannung herunter
> geteilt. Die positive Spannung wird mit einer Z-Diode, die negative
> Spannung mit einer Schottkydiode begrenzt.

SchnickSchnack. Nimm eine Doppeldiode ala BAV99 oder BAV199 und begrenze 
gegen GND und VCC, das reicht locker und hat deutlich weniger 
Verfälschungen durch Leckströme, auch bei höheren Temperaturen.

R21 kann man problemlos auf 1k senken, allerdings fehlt da noch ein 
Kondensator direkt am ADC-Eingang. Irgendwas zwischen 10-100nF.

[Ralf (Gast)]

Falk B. schrieb:
> SchnickSchnack. Nimm eine Doppeldiode ala BAV99 oder BAV199 und begrenze
> gegen GND und VCC, das reicht locker und hat deutlich weniger
> Verfälschungen durch Leckströme, auch bei höheren Temperaturen.
Die BAV99 hat bei 0,4 mA ca. 0,525 V. Deutlich zu viel im negativen 
Bereich für den STM. Der STM darf maximal -0,3 V bekommen.


> R21 kann man problemlos auf 1k senken, allerdings fehlt da noch ein
> Kondensator direkt am ADC-Eingang. Irgendwas zwischen 10-100nF.
Ist kein Analogeingang. Wird digital ausgewertet.

Steilere Flanken wären mir prinzipiell lieber, daß es fast so wie ein 
Rechtecksignal aussieht. Aber ich muß Kompromisse eingehen, weil die 
Randbedingungen entsprechend sind:
* Umgebungstemperatur: -20...+80 °C
* Netzspannung 230V AC +/-20%
* so wenig wie möglich Strom ziehen (Energieverschwendung, Wärme)
* so unempfindlich wie möglich. Problem ist, daß es zwei solcher 
Eingänge gibt, deren Leitung 50 m parallel laufen kann. 
Phantomspannungen auf der nichtbenutzten Ader dürfen nicht als 
High-Pegel erkannt werden. Daher auch der Pull Down von 10k.
* so preiswert wie möglich

[Falk B. (falk)]

Ralf schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> SchnickSchnack. Nimm eine Doppeldiode ala BAV99 oder BAV199 und begrenze
>> gegen GND und VCC, das reicht locker und hat deutlich weniger
>> Verfälschungen durch Leckströme, auch bei höheren Temperaturen.
> Die BAV99 hat bei 0,4 mA ca. 0,525 V. Deutlich zu viel im negativen
> Bereich für den STM. Der STM darf maximal -0,3 V bekommen.

Was glaubst du, wofür R21 gut ist?

>> R21 kann man problemlos auf 1k senken, allerdings fehlt da noch ein
>> Kondensator direkt am ADC-Eingang. Irgendwas zwischen 10-100nF.
> Ist kein Analogeingang. Wird digital ausgewertet.

OK.

> Steilere Flanken wären mir prinzipiell lieber, daß es fast so wie ein
> Rechtecksignal aussieht.

Dann lass R22 weg, dann hast du einen sehr steilflankigen Komparator.

> * so unempfindlich wie möglich. Problem ist, daß es zwei solcher
> Eingänge gibt, deren Leitung 50 m parallel laufen kann.
> Phantomspannungen auf der nichtbenutzten Ader dürfen nicht als
> High-Pegel erkannt werden. Daher auch der Pull Down von 10k.

Das funktioniert so nicht. Diverse Multimeter für 230VAC haben 400k 
Eingangswiderstand, im Gegensatz zu den üblichen 10M. Das ist 
anscheinend ein praktikabler Kompromiss. 400k an 230VAC machen 132mW. 
Das kann theoretisch ein 0805er Widerstand, aus Gründen der 
Spannungsfestigkeit, u.a. gegenüber transienten Störungen, würde ich 
lieber 3x1206 nehmen.
Diese 400k müssen aber parallel zu deinem Vorwiderstand des Controllers 
geschaltet werden, sonst funktioniert es nicht. Man kann auch den 
Vorwiderstand zum Controller nicht kleiner machen. Die 10k (R22) greifen 
da nicht.

[Εrnst B. (ernst)]

Ralf schrieb:
> Der STM darf maximal -0,3 V bekommen.

Das steht wegen der ESD-Schutzdioden (clamping diodes) im Datenblatt, 
die da evtl. schon das Leiten anfangen.

Wenn du -0.5V ohne Strombegrenzung an den Pin hängst, fließen 
möglicherweise mehrere Ampere durch den Chip, er überhitzt lokal, 
kaputt.

Wenn die -0.5V hinreichend hochohmig sind, macht die Diode das, was 
Dioden eben so machen, Strom wird in die GND-Schiene abgeleitet, bis am 
Pin nur noch verträgliche -0.3V übrigbleiben.

d.H. Hemdsärmelige Lösung: die 0.5V-BAV99 passt schon. Ggfs. 
Vorwiderstand (R21) erhöhen.

Um rauszufinden, wieviel Strom die Clamping Diodes in deinem STM 
aushalten: Such im Datenblatt nach "current injection".

Davon dann einfach eine oder zwei Größenordnungen wegbleiben.

[hauspapa (Gast)]

Ralf schrieb:
> Die Widerständ haben 100PPM/°C, hier hat man ja nur wenig
> Änderung des Widerstandswerts.

>Zudem werden alle Widerstände warm,
>was das Teilerverhältnis nicht ändert.

Auch wenn ich ebenso wie alle anderen auf die Halbleiter tippe:

Die TK eines 270k 0805 und eines 10k 0402 sind mit Sicherheit nicht 
gleich. Sie müssen nicht einmal dasselbe Vorzeichen haben.
100PPM/°C x 50°C Temperaturänderung gibt 0,5% bei 225°C ist das >1V. 
Wenn der TK von R22 ein anderes Vorzeichen hat als der Rest wird es noch 
mehr werden.

Angesichts der angegebenen Netzspannungstoleranz ist das alles eh egal.

Wenn du belasten musst um Einkopplungen zu erkennen:

a) ohmsch belasten, kostet halt Strom & macht Wärme
a) Belastung schaltbar machen und nur dann belasten wenn auch gemessen 
wird, kostet Platz & Geld
b) rechnen ob kapazitiv belasten geht, kostet Platz, Geld & Hirnschmalz

viel Erfolg
hauspapa

[Ralf (Gast)]

hauspapa schrieb:
> Die TK eines 270k 0805 und eines 10k 0402 sind mit Sicherheit nicht
> gleich. Sie müssen nicht einmal dasselbe Vorzeichen haben.
> 100PPM/°C x 50°C Temperaturänderung gibt 0,5% bei 225°C ist das >1V.
> Wenn der TK von R22 ein anderes Vorzeichen hat als der Rest wird es noch
> mehr werden.

Ohne Schottky-Diode ist der Spannungsteiler OK. Ich werde die 
Schottky-Diode nun in Reihe zum Prozessorport schalten (in Reihe zu 
R21), um die negativen Spannungen zu blocken.

[hauspapa (Gast)]

Gerade erst gesehen: Du hast 1V Einbruch auf der heruntergeteilten 
Seite. Klar Halbleiter, das hat mit TK tatsächlich nichts zu tun.

Sieht man auch schön daran, das sich die Symmetrie des Signals 
verschiebt.
Bei 40°C fast 50:50 zwischen gemessener Halbwelle und Pause. Bei 90°C 
bleibt das Signal viel länger unten. Da klaut jemand einen mehr oder 
weniger konstanten Sperrstrom.

hauspapa

[Falk B. (falk)]

Ralf schrieb:
> Ohne Schottky-Diode ist der Spannungsteiler OK. Ich werde die
> Schottky-Diode nun in Reihe zum Prozessorport schalten (in Reihe zu
> R21), um die negativen Spannungen zu blocken.

So ein Käse. Aber mach mal.

[Thomas Z. (usbman)]

Bau einfach eine Schottky Doppeldiode direkt an den ADC Eingang (hinter 
den Schutzwiderstand) und alles wird gut.

[2 Cent (Gast)]

MaWin schrieb:
> Der Lechstrom nimt zu, die
> Vorwartsspannung sinkt. Bei deinen 400uA hat das schon einen Einfluss.
Sehe ich auch so. Arbeitspunkt siehe verlinktes Dabla.

Mit einer BJT B-E-Strecke im reversbetrieb, und dahinterliegendem 
weiteren Spannungsteiler funzt die Schaltung womöglich besser...



> Steilere Flanken wären mir prinzipiell lieber, daß es fast so wie ein
> Rechtecksignal aussieht. Aber ich muß Kompromisse eingehen, weil die
> Randbedingungen entsprechend sind:
> * Umgebungstemperatur: -20...+80 °C
> * Netzspannung 230V AC +/-20%
Frage: du willst am Ende nur Erkennen ob "Power on/off" auf der Leitung 
ist?
In dem Fall ein Vorschlag: BJT "Eingangsseitig" (hinter 
Spannungsteiler/Strombegrenzung) eine B-E-Strecke mit antiparralleler 
1n4148 in Emitterschaltung, also den Transistor als 
Open-Kollektor...daran prozessorinterne Pullups.
Oder einen Optokoppler.


> * so wenig wie möglich Strom ziehen (Energieverschwendung, Wärme)
Einen Y-Kondensator (zusätzlich) als oberen Teil des Spannungsteilers 
verwenden?

> * so unempfindlich wie möglich. Problem ist, daß es zwei solcher
> Eingänge gibt, deren Leitung 50 m parallel laufen kann.
> Phantomspannungen auf der nichtbenutzten Ader dürfen nicht als
> High-Pegel erkannt werden. Daher auch der Pull Down von 10k.
Dann gehört "Last und Belastung" ganz nach "links" in dein Schaltbild, 
und nicht hinter (d)einen Spannungsteiler.
[!!! Ein Widerspruch zu "so wenig wie möglich Strom ziehen"]

> * so preiswert wie möglich
Da rate ich zur Vorsicht: sowas verträgt sich nur sehr bedingt mit 
hundsgemeinen Transisenten auf unserem Netz. Am Ende willst du keine 
Zeitbombe bauen, bei welcher nicht einmal du selbst den Auslösezeitpunkt 
voraussagen kannst.
Oder doch? LOL :D

Ausreichende Anzahl (Redundanz) ausreichend spannungsfester Bauteile auf 
der "Highside" sind Pflicht. Kriechstrecken auch.



Ralf schrieb:
> Ich werde die
> Schottky-Diode nun in Reihe zum Prozessorport schalten (in Reihe zu
> R21), um die negativen Spannungen zu blocken.
Denk darüber bitte nochmal nach.


Noch eine Idee: Einen Kleinspannungs(trenn)trafo einsetzen; dessen 
Ausgangsspannung als Quelle deiner Erkennung verwenden.
Ohne dir persöhnlich zu nahe treten zu wollen (auch andere Lesen 
Weltweit mit und bauen womöglich nach): eine solche Lösung ist oftmals 
sicher_er_.

Noch eine Idee: Ein mechanisches Relais mit Ansteuerung für 230V 
(100%ED)... Auch damit haste Probleme wie "kaltbleibende Last" und 
Potentialtrennung erschlagen. Solche (Marken-)Bauteile halten in der 
Industrie jahrzehntelangen Betrieb durch.

HTH

[2 Cent (Gast)]

Bildvergesser :D

[Carlo (Gast)]

... zur einfacheren Simulation und Auswahl der Dioden und
Betrachtung der Temperatureffekte an den Dioden mit LTspice  ...

[Carlo (Gast)]

Bild sollte so aussehen