Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schottky Diode an zwei Spannungsquellen - Spannung


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von Simon S. (esquilo)


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Hallo zusammen,

vll. kann mir jemand helfen,
siehe Bild,
zwei Spannungsquellen, DC, D1 ist eine Schottky Diode.
Mit dem Messgerät (rote Prüfspitze) messe ich in der LT-Spice-Simulation 
an der Stelle ca. 3.6V (siehe Graph oben) - also vermutlich die 3.3V der 
Spannungsquelle + die ca. 0,3V der Schottky-Diode.
Ich hätte hier an der Stelle jedoch 3.3V erwartet, da die Diode von der 
5V - Seite in Sperrrichtung ist.
Was wird in einer reellen Schaltung passieren? Werde ich hier 3.3V an 
der Messstelle haben (von der linken Spannungsversorgung, Diode Sperrt 
die 5V) oder 3.6V?
Hintergrund: An der "Messstelle" will ich auf einen Eingang eines 
Microcontrollers gehen, der 3-3,6V am Eingang verträgt - ich will den 
Bereich jedoch nicht ausreizen.
Vielen Dank schon mal.

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


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Schaue Dir die nichtlineare Kennlinie einer Diode an. Den 
Spannungsabfall bei 1µA, 0,1mA und 10mA nehmen und überlegen, was das 
bedeutet.

von Falk B. (falk)


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Simon S. schrieb:
> vll. kann mir jemand helfen,
> siehe Bild,
> zwei Spannungsquellen, DC, D1 ist eine Schottky Diode.
> Mit dem Messgerät (rote Prüfspitze) messe ich in der LT-Spice-Simulation
> an der Stelle ca. 3.6V (siehe Graph oben) - also vermutlich die 3.3V der
> Spannungsquelle

Ja.

 + die ca. 0,3V der Schottky-Diode.

Nö.

> Ich hätte hier an der Stelle jedoch 3.3V erwartet, da die Diode von der
> 5V - Seite in Sperrrichtung ist.

In der Theorie. Da gibt es aber noch den Sperrstrom . . .

> Hintergrund: An der "Messstelle" will ich auf einen Eingang eines
> Microcontrollers gehen, der 3-3,6V am Eingang verträgt - ich will den
> Bereich jedoch nicht ausreizen.

Und wozu die Diode? Um einen möglichst undefinierten, 
temperaturabhängigen Spannungsabfall zu erzeugen?

Wenn du einen ADC-Eingang vor zu hoher Spannung schützen willst, geht 
das anders.

von Simon S. (esquilo)


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Hallo Dieter,

vielen Dank für deine Antwort,
gehe ich hiermit richtig,
anbei die Kennlinien einer "normalen" Diode und einer Schottkydiode.
Ich entnehme: Der Spannungsabfall an der Schottkydiode im SPERRBEREICH, 
abhängig vom Stromfluss, ist größer als bei einer normalen Diode.
Zusätzlich (leider etwas schlecht gezeichnet) im Anhang: So erkläre ich 
mir den Stromfluss in meiner Schaltung:
Der Strom fließt von der Spannungsquelle V2 über die Diode und dem 
Widerstand und auch über die Spannungsquelle V1 über den gemeinsamen 
Massepunkt zurück zur Spannungsquelle V2.
Der Innenwiderstand der Spannungsquelle V1 ist auch relativ gering (soll 
in der Praxis im Endeffekt ein DC Steckernetzteil sein) - deshalb kann 
hier ein Strom fließen, da "nur" ca. 10kOhm (Widerstand) + kleiner Teil 
durch Spannungsquelle und Leitung in der Schaltung sind, was durch den 
hervorgerufenen Strom zu dem Spannungsabfall an der Schottkydiode in 
Sperrrichtung führt und dann zusätzlich zu den 3.3V von V1 addiert 
werden.
Habe ich das richtig verstanden :)
Danke schon mal!

von HildeK (Gast)


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Simon S. schrieb:
> Mit dem Messgerät (rote Prüfspitze) messe ich in der LT-Spice-Simulation
> an der Stelle ca. 3.6V (siehe Graph oben)

Ursache ist der Sperrstrom. Die Frage ist, ob der in den Modellen immer 
richtig abgebildet ist.
Dann: die verwendete Diode kann 1A vorwärts. Je mehr Durchlassstrom 
zulässig ist, desto mehr Sperrstrom taucht auch auf.

Nimm für die Schaltung eine BAS40, BAT54 oder eine andere, deren 
Maximalstrom bei nur 100mA oder weniger liegt. Und rechne damit, dass 
bei höheren Temperaturen der Sperrstrom trotzdem merklich ansteigt.
Siliziumdioden, e.g. 1N4148, verhalten sich da wesentlich besser, auch 
noch bei höheren Temperaturen. Mit der 1N4148 simuliert man bei 25° 
3.30002V und bei 80°C immer noch nur 3.3013V!
(Ja, ich weiß, die vielen Stellen hinter dem Komma sind Fahrkarten, sie 
sollen nur die Unterschiede verdeutlichen.)

Simon S. schrieb:
> Hintergrund: An der "Messstelle" will ich auf einen Eingang eines
> Microcontrollers gehen, der 3-3,6V am Eingang verträgt - ich will den
> Bereich jedoch nicht ausreizen.

Für die Aufgabe verstehe ich die Schaltung nicht.

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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HildeK schrieb:
> Nimm für die Schaltung eine BAS40, BAT54 oder eine andere, deren
> Maximalstrom bei nur 100mA oder weniger liegt.

Oder nimm für R1 statt einen 10k Widerstand, einen 100R Widerstand.

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


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Simon S. schrieb:
> gehe ich hiermit richtig,

Im Prinzip geht es in die passende Richtung. Eine Diode ist kein ideales 
Bauteil und läßt in Sperrichtung Kriechströme durch und hat in 
Vorwärtsrichtung unterschiedlichen Spannungsabfall.

von Simon S. (esquilo)


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Erstmal vielen Dank an alle für die zahlreichen Antworten!
Ich habe noch eine BAT-46 Schottky - Diode herumliegen, die sollte lt. 
Datenblatt auch gut geeignet sein, so wie ich das sehe.
Nur zur Erläuterung, was ich machen will:
Ich möchte an einem ESP8266 an einem GPIO Pin, welcher intern über einen 
10k Pullup an +3.3V liegt einen TTP-223 Touch-Sensor anschließen. Dieser 
Touch-Sensor zieht mir bei Betätigung den PIN auf Ground (bzw. wegen der 
Schottky Diode auf ca. 0.3V, aber sicher auf LOW-Signal für den ESP). Da 
die Leitung zu dem TTP-223 relativ lang ist, möchte ich diesen mit den 
5V von dem Steckernetzteil versorgen, anstatt der 3.3V (das ESP-Modul 
besitzt intern zusätzlich einen Converter auf 3.3V).
Ich brauche also von dem TTP-223 eigentlich nur das Low Signal.
Da der ESP die 5V am GPIO nicht verträgt, möchte ich diese mit der 
Schottky Diode sperren (siehe Schaltung oben).
Ich weiß natürlich, dass ich an einem anderen Pin des ESP einfach das 
Signal des TTP-223 direkt drauf geben könnte, das geht jedoch 
Schaltungstechnisch nicht, ich muss den Pin mit dem 10k Pullup nehmen.

von Simon S. (esquilo)


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Hallo HildeK,
ich habe neu mit einer BAT46 simuliert - hier sind die Ergebnisse 
"besser", danke.
@Alle,
was ich noch nicht ganz verstehe ist, wie der Strom von der 3.3V Seite 
zu der 5V Seite in dieser Richtung durch die Diode fließen kann.
Ich habe mal ein Bild angehängt.
Die Stromrichtung durch den 10k Widerstand verstehe ich. Der fließt von 
den +5V zu den +3.3V (Potentialunterschied +1.7V-Diode Sperrspannung).
Wie aber kann der Stromfluss durch die Diode von den +3,3V zu den +5V 
fließen. Da hänge ich leider noch etwas auf dem Schlauch.
Ich hätte erwartet, dass die durch den Sperrstrom hervorgerufene 
Spannung in Richtung von den 5V > 3V anliegt, und somit eher: Vesp = 
3.3V - Sperrspannung.
Ich frage mich, wie der Strom von einem "niedrigeren Potential" (also 
den +3.3V) zu einem "höheren Potential" (also +5V) fließen kann.
Kann es sein, dass hier die Sperrkapazität in irgendeiner Form zum 
tragen kommt und in irgendeiner Weise entgegen wirkt (obwohl ich das 
eher bei Induktivitäten vermutet hätte und auch nur bei Stromänderung).

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


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Simon S. schrieb:
> was ich noch nicht ganz verstehe ist, wie der Strom von der 3.3V Seite
> zu der 5V Seite in dieser Richtung durch die Diode fließen kann.

Tut er auch nicht. Der Strom fließt von den +5V zu den +3.3V.

Widerstand (10K) und Schottky-Diode liegen in Reihe. Die 
Differenzspannung 5V - 3.3V = 1.7V teilt sich zwischen den beiden auf. 
Wenn kein Sperrstrom fließen würde, würde am Widerstand kein 
Spannungabfall entstehen. Die 1.7V lägen dann komplett über der Diode, 
du würdest 3.3V am Verbindungspunkt zwischen Widerstand und Diode 
messen.

Real fließt aber ein kleiner Sperrstrom. Du hattest oben mal 3.6V am 
Knoten zwischen Widerstand und Diode erwähnt. Das würde bedeuten, daß 
über dem Widerstand 0.3V abfallen und über der Diode die verbleibenden 
1.4V. Der Sperrstrom wäre dann 0.3V ÷ 10KΩ = 30µA. Das kommt gut hin.

Das zu berechnen ist etwas kompliziert. Viel einfacher kann man das 
graphisch bestimmen. Dazu nimmt man das Strom-Spannungs Diagramm der 
Diode und trägt zwei Punkte ein:

1. maximale Sperrspannung -1.7V auf der Spannungs-Achse
2. maximal möglicher Strom in Sperrichtung. Bei -1.7V und 10KΩ sind das 
-170µA. Das ist ein Punkt auf der Strom-Achse.

Jetzt verbindest du die beiden Punkte mit einer Gerade. Die läuft durch 
den unteren linken Quadranten des Diagramms (Sperrbereich) und schneidet 
die Kennlinie der Diode in einem Punkt. Das ist der gesuchte Punkt, die 
zugehörigen Werte auf Spannungs- und Stromachse geben die Sperrspannung 
und den Sperrstrom an.

von HildeK (Gast)


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Simon S. schrieb:
> was ich noch nicht ganz verstehe ist, wie der Strom von der 3.3V Seite
> zu der 5V Seite in dieser Richtung durch die Diode fließen kann.
Tut er nicht, er fließt von der 5V-Seite zur 3.3V Seite. Beachte doch 
das Vorzeichen bei der Strommessung.
In deinem Bild ist der Strom durch den R1 von rechts nach links positiv, 
der durch die Diode ist von links nach rechts positv. Betrachtest du 
dein Ergebnis, dann sind beide Ströme im Betrag gleich.
Du musst bei dem Stromzangensymbol von LTSpice auf die Richtung des 
roten Pfeils achten. Bei Dioden ist das klar, der Strom in Sperrichtung 
hat ein negatives Vorzeichen. Bei Widerständen sieht man das leider im 
Nachhinein nicht mehr. Man kann aber den R um 180° drehen, dann sind 
Diodenstrom und Strom durch den Widerstand der selbe.
(Ich hab meine R-Symbol in LTSpice mit einem kleine Pfeil 
gekennzeichnet, damit ich das sehe.)

> Die Stromrichtung durch den 10k Widerstand verstehe ich. Der fließt von
> den +5V zu den +3.3V (Potentialunterschied +1.7V-Diode Sperrspannung).
Nur als Hinweis: die Dioden-Sperrspannung ist der Wert im Datenblatt, 
den die Diode in der Lage ist ohne (relevanten) Stromfluss auszuhalten.

> Wie aber kann der Stromfluss durch die Diode von den +3,3V zu den +5V
> fließen. Da hänge ich leider noch etwas auf dem Schlauch.
Wie gesagt, Vorzeichen, siehe oben.

> Ich hätte erwartet, dass die durch den Sperrstrom hervorgerufene
> Spannung in Richtung von den 5V > 3V anliegt, und somit eher: Vesp =
> 3.3V - Sperrspannung.
Die Spannung rechts vom Widerstand (Knoten ESP) muss höher sein. Ersetze 
doch die Diode versuchshalber durch einen hochohmigen Widerstand - 
nichts anders liegt im Prinzip vor. Probier mal 10MegΩ.

> Kann es sein, dass hier die Sperrkapazität in irgendeiner Form zum
> tragen kommt und in irgendeiner Weise entgegen wirkt (obwohl ich das
> eher bei Induktivitäten vermutet hätte und auch nur bei Stromänderung).
Irgendwelche Kapazitäten und Induktivitäten spielen hier gar kein Rolle 
- du hast reine Gleichspannungen ohne Änderung, nicht mal beim Start der 
Simulation, denn da berechnet das Programm vorher den eingeschwungenen 
Zustand - der sich hier sowieso nicht mehr ändert.
Würdest du eine der beiden Spannungen verspätet zuschalten, ja dann 
könnte ein Strompeak auf eine Kapazität hinweisen.

von Simon S. (esquilo)


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Jetzt habe ich es verstanden!
Danke nochmal an alle, ihr seit SUPER!

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