Überspannungsschutz ohne Messsignal zu belasten

Jamal schrieb:
> Wichtig ist außerdem, dass durch die Schaltung das Messsignal im
> Normalfall nicht belastet werden soll, da sonst die Messwerte nicht zu
> gebrauchen sind.
Definiere "nicht belastet" mit Zahlen. Denn eine Schaltung ohne 
jeglichen Leckstrom gibt es nicht.

> Es geht nun darum diesen Eigang gegen pulsförmige Überspannungen zu
> schützen (Pulsbreite ~20 µs bis 200 µs mit einer Höhe von ~ 36 V)
Welche Impedanz? Oder: woher kommt dieser Impuls?

> Aktuell habe ich einen n-MOSFET genutzt, der mit 5V am Gate betrieben
> wird. Das Messsignal liegt auf Drain, so dass am Source der
> Mikrocotroller Anschluss vorliegt.
Ich vermute, dass dir da solche Effekte wie die Millerkapazität gehörig 
in die Suppe spucken. Denn die macht den Mosfet "langsamer". Besonders 
dann, wenn die Source relativ hochohmig am µC-Pin angeklemmt ist.

Bau die Schaltung doch mal im Simulator auf und schau, wie sie reagiert.

Kurze Impulse lassen sich mit einem geeignet dimensionierten RC-Tiefpass 
unterdrücken. Bei längeren Impulsen bieten sich meist eine Kombination 
aus Widerstand und Z-Diode an. Es gibt auch sog. Transientenschutzdioden 
(TVS-Dioden), die ähnlich wie Z-Dioden funktionieren und auf die 
Aufnahme besonders hoher Impulsleistungen (oft im Kilowattbereich) 
optimiert sind.

Welche Bandbreite hat denn überhaupt Dein Messsignal?

Ein RC-Tiefpass hat neben der obigen Funktion auch noch zwei weitere 
Effekte: zum einen unterdrückt er hochfrequente externe Störungen und 
zum anderen reduziert er auch Ladungsinjektionen beim Umschalten von 
ADC-Kanälen oder der S/H-Stufe.

Jamal schrieb:
> Wichtig ist außerdem, dass durch die Schaltung das Messsignal im
> Normalfall nicht belastet werden soll, da sonst die Messwerte nicht zu
> gebrauchen sind.

Du kannst eine SS12 bis SS14 mit z.B. 3,0 V vorspannen. Sie haben bei 1 
A eine Durchflussspannung von 400 mV. Der Reversestrom liegt deutlich 
unter 10 µA bei 3,0 V.

Wenn der ADC noch etwas mehr Spannung verträgt, dann kannste auch gleich 
mit UB = 3,3 V vorspannnen. Im Signalzweig liegt ja der Vorwiderstand. 
Den würde ich aber so auslegen, das keine 1 A abzuleiten sind. Bei 100 
mA haben diese Dioden nur noch ca. 270 mV Flussspannung.

LTspice hat leider nur die SS24 zur Auswahl, aber Du kannst damit und 
dem Datenblatt auch die Tendenz erkennen.
https://www.mouser.de/Semiconductors/Discrete-Semiconductors/Diodes-Rectifiers/Schottky-Diodes-Rectifiers/Datasheets/_/N-ax1mj?keyword=SS11
mfg klaus

Klaus R. schrieb:
> Du kannst eine SS12 bis SS14 mit z.B. 3,0 V vorspannen. Sie haben bei 1
> A eine Durchflussspannung von 400 mV. Der Reversestrom liegt deutlich
> unter 10 µA bei 3,0 V.

Schottky-Dioden sind für leckstromarme Anwendungen völlig ungeeignet. 
Normale Dioden sind da schon wesentlich besser. Ein Serienwiderstand 
zwischen der Klemmschaltung und dem ADC-Eingang verhindert dann die 
Zerstörung, weil heutzutage fast immer zusätzliche Schutzdioden auf dem 
Halbleiterchip sitzen.

Bei einer Klemmung gegen die Versorgungsspannung sollte man auch nicht 
vergessen, dass eine Überspannung dann auch leicht die 
Versorgungsspannung der ganzen Schaltung unzulässig anheben kann.

Das Messignal ist sehr hochohmig und darf nur sehr wenig belastet 
werden.
Die Störung ist 10 mal höher (bis 30V) und sehr niederohmig (Akku) und 
impulsförmig.
Der Rest fehlt, wie so oft.
- Bandbreite
- verwenderer ADC
- konkrete Zahlen
- Genauigkeit
- Auflösung
- das eigentliche Problem

Ich versuche mal einen "educated guess"
Es ist eine wie auch immer geartete Umschaltung um Einzelzellen eines 
Akkusatzes zu messen.
Die "Störimpulse" kommen von der unzureichenden Umschaltung.

Jamal schrieb:
> 1. Belastung im µA (1 bis 100) Bereich wären noch verträglich.

Das ist recht viel.

> 2. Die Überspannung wird kann beispielsweise von einem Akku kommen. Die
> Quelle ist also sehr niederohmig.

Wieso? Klemmt da einer einen 30V Akku an einen 3V ADC-Eingang? Ein Akku 
allen macht keine Störpulse.

> 3. Das mit der Millerkapazität ist eine gute Spur.

Trotzdem Unsinn, denn deine Schaltung ist Unsinn.

> Ich habe schon mit der Sinulation rumgespielt und kam auf Basis dieser
> zu der oben genannten Erkenntnis, dass zuviel von der Überspannung
> durchkommt.

Jaja, wahrscheinlich so wie die Simulation der Klimamodelle auf den 
Weltuntergang in 11 Jahren kommt.

Der Klassiker für Überspannungsschutz sind Klemmdioden nach GND und VCC. 
Wenn die halbwegs leckstromarm sind, ist das OK. Dazu in Reihe noch 1-2 
Widerstände, fertig. Siehe Anhang. R1 begrenzt den Strom durch die 
Klemmdioden. R2 den Strom von den Klemmdioden während der Klemmung (3,3V 
+ FLußspannung, die bei hohen Strömen 1-2V sein kann, also ~5V) zum ADS 
mit internen, schwachen Klemmdioden.

Andreas S. schrieb:
> Schottky-Dioden sind für leckstromarme Anwendungen völlig ungeeignet.
> Normale Dioden sind da schon wesentlich besser.

Deswegen habe ich auch die SS11 bis SS14 empfohlen. Wie gesagt, der 
Reversestrom liegt bei 3,0 V deutlich unter 10 µA. Ein Link zum 
Datenblatt liegt ja auch dabei. Der TO wollte sogar bis zu 100µA 
tolerieren.

Andreas S. schrieb:
> Ein Serienwiderstand
> zwischen der Klemmschaltung und dem ADC-Eingang verhindert dann die
> Zerstörung, weil heutzutage fast immer zusätzliche Schutzdioden auf dem
> Halbleiterchip sitzen.

Nur die internen Schutzdioden sind in der Regel für unter 10 mA gedacht 
und eher ein ESC Schutz.

Andreas S. schrieb:
> Bei einer Klemmung gegen die Versorgungsspannung sollte man auch nicht
> vergessen, dass eine Überspannung dann auch leicht die
> Versorgungsspannung der ganzen Schaltung unzulässig anheben kann.

Deswegen hatte ich auch erwähnt den Strom auf unter 100 mA zu begrenzen. 
Wenn der TO noch zusätzlich Beads einsetzt und den Impuls mindert, dann 
um so besser.

Klar, eine 1N4148 hat fast keinen Reversestrom und auch sehr wenig 
Kapazität, verträgt aber nur 100 mA bis 200 mA. Der TO hat hat einen 
Simulator, vielleicht auch LTspice. Er kann damit ja feststellen welche 
Begrenzung im besser gefällt. Ein wenig spielen ist immer lehrreich.
mfg Klaus

Klaus R. schrieb:
> Deswegen habe ich auch die SS11 bis SS14 empfohlen. Wie gesagt, der
> Reversestrom liegt bei 3,0 V deutlich unter 10 µA. Ein Link zum
> Datenblatt liegt ja auch dabei. Der TO wollte sogar bis zu 100µA
> tolerieren.

Ein großes Problem ist die extreme Temperaturabhängigkeit des 
Leckstroms. Und plötzlich sind aus den 10 µA dann 1 mA geworden.

> Andreas S. schrieb:
>> Ein Serienwiderstand
>> zwischen der Klemmschaltung und dem ADC-Eingang verhindert dann die
>> Zerstörung, weil heutzutage fast immer zusätzliche Schutzdioden auf dem
>> Halbleiterchip sitzen.
>
> Nur die internen Schutzdioden sind in der Regel für unter 10 mA gedacht
> und eher ein ESC Schutz.

Sinnentstellendes Zitieren ist offenbar Deine Lieblingsdisziplin. Der 
Serienwiderstand kommt natürlich hinter den Klemmdioden. An ihm fallen 
dann nur noch maximal 0,7 V o.ä. ab.

> Andreas S. schrieb:
>> Bei einer Klemmung gegen die Versorgungsspannung sollte man auch nicht
>> vergessen, dass eine Überspannung dann auch leicht die
>> Versorgungsspannung der ganzen Schaltung unzulässig anheben kann.
>
> Deswegen hatte ich auch erwähnt den Strom auf unter 100 mA zu begrenzen.
> Wenn der TO noch zusätzlich Beads einsetzt und den Impuls mindert, dann
> um so besser.

100 mA sind doch für viele Schaltungen viel zu viel. Man darf nicht von 
deren maximaler oder durchschnittlicher Stromaufnahme ausgehen, sondern 
von der minimalen. Wenn nicht viel mehr als der nackte Microcontroller 
aktiv ist, liegt man bei vielen Microcontrollerschaltungen bei 1 mA oder 
gar noch darunter.

> Klar, eine 1N4148 hat fast keinen Reversestrom und auch sehr wenig
> Kapazität, verträgt aber nur 100 mA bis 200 mA.

Ich habe niemals behauptet, dass er eine 1N4148 verwenden solle. Und 
zuvor hast Du noch eine Strombegrenzung durch den ersten Vorwiderstand 
auf 100 mA gefordert. Warum soll dann plötzlich eine 1N4148, die diesen 
Strom schafft, nicht mehr ausreichend sein, insbesondere bei 
impulsförmiger Last? Außerdem gibt es auch noch etliche andere 
pn-Sperrschichtdioden mit höherem Spitzenstrom. Nein, ich behaupte jetzt 
(auch wenn Du mir gleich anderes unterstellen wirst...) nicht, dass es 
sich dann um eine 1N400x handeln müsse.

Klaus R. schrieb:
> Nur die internen Schutzdioden sind in der Regel für unter 10 mA

Mit einem entsprechend hochohmigen Serienwiederstand reicht das auch für 
Hunderte Volt Überspannung. So lange wir die Anforderungen an die 
Meßbandbreite nicht kennen...

So oder so klingt das nach einem "komischen" Problem. Wenn schon eine 
Transiente von 20µs den ADC Eingang killt, kann da ja gar kein 
strombegenzender Widerstand verbaut sein.

Andreas S. schrieb:
> Ein großes Problem ist die extreme Temperaturabhängigkeit des
> Leckstroms. Und plötzlich sind aus den 10 µA dann 1 mA geworden.

Wenn dies plötzlich eintritt, dann stimmt aber etwas anderes ganz und 
gar nicht.

Andreas S. schrieb:
> Sinnentstellendes Zitieren ist offenbar Deine Lieblingsdisziplin. Der
> Serienwiderstand kommt natürlich hinter den Klemmdioden. An ihm fallen
> dann nur noch maximal 0,7 V o.ä. ab.

Was ich gemeint habe ist in der Schaltskizze von Falk der R1.

Andreas S. schrieb:
> 100 mA sind doch für viele Schaltungen viel zu viel. Man darf nicht von
> deren maximaler oder durchschnittlicher Stromaufnahme ausgehen, sondern
> von der minimalen. Wenn nicht viel mehr als der nackte Microcontroller
> aktiv ist, liegt man bei vielen Microcontrollerschaltungen bei 1 mA oder
> gar noch darunter.

In der Regel können diese Spannungsquellen mehr als 100 mV. Aber der TO 
weiss doch sicher was seine Spannungsquellen schlucken können. Es sollte 
ihm doch nur der Weg gezeigt werden.

Andreas S. schrieb:
> ich behaupte jetzt
> (auch wenn Du mir gleich anderes unterstellen wirst...) nicht, dass es
> sich dann um eine 1N400x handeln müsse.

Oh bitte, ich will Dir doch nichts unterstellen. Ich liebe es im Team zu 
arbeiten. Wir wissen ja nicht genau welche Bandbreite der TO wünscht, 
aber einen Vorschlaghammer, wie die 1N400x, braucht er beim ADC wohl 
nicht. Aber wer weiss, solche Schaltungen gibt es auch.
mfg Klaus

Klaus R. schrieb:
> Deswegen habe ich auch die SS11 bis SS14 empfohlen.
Die dort hat 200nA:
Beitrag "Re: Batterie und Dioden Frage"

Ich nehme gern die BAS45AL mit 1nA bei Zimmertemperatur.

Klaus R. schrieb:
> Andreas S. schrieb:
>> Ein großes Problem ist die extreme Temperaturabhängigkeit des
>> Leckstroms. Und plötzlich sind aus den 10 µA dann 1 mA geworden.
>
> Wenn dies plötzlich eintritt, dann stimmt aber etwas anderes ganz und
> gar nicht.

Es hängt vom Temperaturbereich ab. Falls es sich um irgendeine Bastelei 
am Auto oder einem anderen Konstrukt mit Wärmequelle oder direkter 
Sonneneinstrahlung handeln sollte, darf man natürlich nicht die 
Leckströme bei 20°C oder 25°C ansetzen, sondern bei >=70°C.

> In der Regel können diese Spannungsquellen mehr als 100 mV. Aber der TO
> weiss doch sicher was seine Spannungsquellen schlucken können. Es sollte
> ihm doch nur der Weg gezeigt werden.

Seit wann kann ein normaler 3,3V-Spannungsregler auch als Stromsenke 
arbeiten? Bestenfalls wird er auch eine Klemmdiode vom Ausgang zum 
Eingang haben, was dann die Betriebsspannung auf z.B. 5,x V oder 12,x V 
begrenzt. Es gibt aber auch Spannungsregler, die einen explizit nicht 
rückspeisefähigen Ausgang besitzen. Und bei den meisten ist es auch 
nicht näher spezifiziert. Die fangen dann an zu leiten oder auch nicht; 
oder sie gehen kaputt.

> aber einen Vorschlaghammer, wie die 1N400x, braucht er beim ADC wohl
> nicht. Aber wer weiss, solche Schaltungen gibt es auch.

Genau. Immerhin hätte eine 1N400x den Vorteil, billig und leicht 
erhältlich zu sein. Das ist aber noch keine Aussage über deren sonstige 
Eignung.