Schutz des µC bei 4-20mA

[Franz (kubawu)]

Guten Tag,

ich bin dabei 0-20mA Eingang für meinen µC zu entwerfen.
Funktioneren tut das alles gut über den den 250Ohm Widerstand.
Allerdings weiß ich jetzt nicht so recht, was ich alles beachten muss um
meinen µC zu Schützen.
- Überspannung : habe ich eine TVS zu GND die mit 6V auslöst
- Verpolung : Eine einfache Diode / Spannungsabfall ist in dem Falle ja
egal

Jetzt Frage ich mich, was ist Sinnvoll und gängig ? Habe von OPV
Schaltungen gelesen aber noch nicht ganz verstanden wann die einzusetzen
sind.

Was passiert wenn die Stromschleife ein Erdpotenzial hat ? Zerstört dies
mein Analogeingang ?

Ich habe die Schaltung im Bild nach gebaut. Die 24V kommen von einen
Netzteil ohne PE Anschluss.

[Franz (kubawu)]

https://industrialcircuits.files.wordpress.com/2014/07/0_20ma_receiver.gif

Macht es Sinn einen OPV als Impendanzwandler vorzuschalten ?

[Falk B. (falk)]

Franz schrieb im Beitrag #7373120:
> ich bin dabei 0-20mA Eingang für meinen µC zu entwerfen.
> Funktioneren tut das alles gut über den den 250Ohm Widerstand.
> Allerdings weiß ich jetzt nicht so recht, was ich alles beachten muss um
> meinen µC zu Schützen.
> - Überspannung : habe ich eine TVS zu GND die mit 6V auslöst

Reicht nicht. Da fehlt noch ein Reihenwiderstand in Richtung uC und auch 
noch ein kleiner Kondensator am ADC-Eingang. Ich sag mal 1-10k, 100nF.
Wer es ganz sicher machen will, nimmt noch zwei Klemmdioden wie in einer 
BAV99 zum Schutz des ADC-Eingangs.

Deine TVS mit 6V Nennspannung hat bei 5V zuviel Leckstrom und verfälscht 
deine Messung. Da muss man eine mit mindestens 10-12V nehmen, die ist 
dann bei 5V leckstromarm. Darum ist auch der zweistufige Schutz nötig.

Die Verpolschutzdiode braucht man nicht, das macht die TVS und der 
Reihenwiderstand.

> Was passiert wenn die Stromschleife ein Erdpotenzial hat ? Zerstört dies
> mein Analogeingang ?

Nö.

> Ich habe die Schaltung im Bild nach gebaut. Die 24V kommen von einen
> Netzteil ohne PE Anschluss.

Ist OK.

[Falk B. (falk)]

Franz schrieb:
> Macht es Sinn einen OPV als Impendanzwandler vorzuschalten ?

Nein, dein ADC-Eingang ist schon hochohmig genug.
Warum 2 Diskussionen?

https://www.mikrocontroller.net/topic/552274#7373120

Mods, bitte mal fusionieren oder so.

[Daniel F. (foxi_the_daywalker)]

Hi,

es kommt darauf an, gegen was du schützen willst oder musst.

Bei einem Industrieprodukt würde ich jetzt hochspannungsfeste 
Kondensatoren mit vielleicht 10pF bis 2,2 nF zwischen den Kontakten von 
SI2 und PE machen.

Du könntest auch über einen PTC/Polyfuse/Multifuse nach SI2 nachdenken.
Der erhöht zwar die Bürde 250 Ohm + PTC, aber bei Anschluss von 24V 
(32V) würde weniger passieren.

[Edit]
(Ich vermute, dass dein PIC mit 3,3V läuft.)
[/Edit]
Du könntest auch einen Widerstand zwischen deinem Shunt und dem PIC 
vorsehen. Das verfälscht zwar das Messergebnis, aber die Schutzdioden im 
PIC würden nicht so leiden bei Überspannung.
Du müsstest ausrechnen, wieviel Einfluss bspw. ein 180 Ohm Widerstand 
auf deine Messung hat und ob es sich lohnt.


Vielleicht ein paar Anregungen für dich.

Grüße
Daniel

[Franz (kubawu)]

Falk B. schrieb:
> Warum 2 Diskussionen?

Weil falscher Bereich. Ist mir leider zu spät aufgefall, selber löschen 
ging leider nicht.

TVS habe ich durch diese Z-Diode ersetzt, weil der µC nur +0,3V zu VDD 
am Input mag.
https://www.mouser.de/ProductDetail/Nexperia/BZX384-A5V1-QX?qs=A6eO%252BMLsxmQh4QR6YTFJ%252Bw%3D%3D

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Die 1N4148 kann auch durch eine Schottky Diode ersetzt werden falls der 
uC am Eingang nur 0,3V mehr mag.

Die Größe eines eventuellen Kondensators parallel zum Eingang, hängt von 
der Abtastrate ab.

[Falk B. (falk)]

Franz schrieb:
> TVS habe ich durch diese Z-Diode ersetzt, weil der µC nur +0,3V zu VDD
> am Input mag.

Funktioniert trotzdem nicht so wie du glaubst. Eine TVS-Diode IST eine 
Z-Diode mit hoher Pulsleistung.

> 
https://www.mouser.de/ProductDetail/Nexperia/BZX384-A5V1-QX?qs=A6eO%252BMLsxmQh4QR6YTFJ%252Bw%3D%3D

Löst das Problem nicht, denn auch die hat bei 5V SATTEN Leckstrom! Miss 
mal die Kennlinie!

Siehe Anhang. Das ist eine 4,7V Z-Diode. Da fließen bei Nennspannung 
20mA. Bei 4,4V fließt schon 1mA.

[Falk B. (falk)]

Michael M. schrieb:
> Die 1N4148 kann auch durch eine Schottky Diode ersetzt werden falls der
> uC am Eingang nur 0,3V mehr mag.

Nein, denn die haben deutlich höhere Leckströme. Die untere Diode muss 
auch eine normale, leckstromarme Diode sein, keine TVS-Diode.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Falk B. schrieb:
> Nein, denn die haben deutlich höhere Leckströme. Die untere Diode muss
> auch eine normale, leckstromarme Diode sein, keine TVS-Diode.

Dann ist eine Siliziumdoppeldiode BAV99 im SOT23 Package geradezu 
perfekt geeignet.

Aber was ist dann mit dem Überspannungsschutz? Die BAV99 hat eine 
Flussspannung von deutlich über 0,3V!

[Falk B. (falk)]

Michael M. schrieb:
> Aber was ist dann mit dem Überspannungsschutz? Die BAV99 hat eine
> Flussspannung von deutlich über 0,3V!

Sicher, aber davon geht die Welt nicht unter und auch der uC nicht 
kaputt. Ja, im Datenblatt steht max. Vcc+0,3 bzw. GND-0,3V, das sind 
aber die offiziellen, juristischen Werte. Solange der Strom begrenzt 
ist, darf die Spannung auch höher liegen und ein wenig durch die 
ESD-Dioden im IC fließen. Die sind aber im Vergleich zur externen BAV99 
hochohmig, sodaß der Großteil des Stroms durch die externe Diode fließt. 
Angsthasen packen noch 100 Ohm Längswiderstand zwischen externe Diode 
und uC, dann ist es absolut wasserdicht.

[Franz (kubawu)]

So sieht aktuell die Schaltung aus. So schon besser ?


Falk B. schrieb:
> Franz schrieb:
>> TVS habe ich durch diese Z-Diode ersetzt, weil der µC nur +0,3V zu VDD
>> am Input mag.
>
> Funktioniert trotzdem nicht so wie du glaubst. Eine TVS-Diode IST eine
> Z-Diode mit hoher Pulsleistung.
>
>>
> 
https://www.mouser.de/ProductDetail/Nexperia/BZX384-A5V1-QX?qs=A6eO%252BMLsxmQh4QR6YTFJ%252Bw%3D%3D
>
> Löst das Problem nicht, denn auch die hat bei 5V SATTEN Leckstrom! Miss
> mal die Kennlinie!
>
> Siehe Anhang. Das ist eine 4,7V Z-Diode. Da fließen bei Nennspannung
> 20mA. Bei 4,4V fließt schon 1mA.

Wie würde deine Empfehlungnach der Überspannungsschutz aussehen ? :)

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Franz schrieb:
> So schon besser ?

Fast richtig, aber der Widerstand muss vor die Dioden, sonst gehen die 
Dioden bei falscher Polung und / oder bei Überspannung des 
Eingangssignals in Rauch auf!

[Franz (kubawu)]

Michael M. schrieb:
> Fast richtig, aber der Widerstand muss vor die Dioden, sonst gehen die
> Dioden bei falscher Polung und / oder bei Überspannung des
> Eingangssignals in Rauch auf!

Done, für mein VErständniss bin ich noch nciht ganz da. Wie würde in dem 
Falle einer Verploung der Stromfluss blockiert werden ?

[Falk B. (falk)]

Franz schrieb:
> Wie würde deine Empfehlungnach der Überspannungsschutz aussehen ? :)

So

[Franz (kubawu)]

Ich hab das hier noch gefunden für einen 0-5V Eingang, könnten man dies 
so dann auch für den 0-20mA Eingang benutzen, nach dem 250Ohm gegen GND 
natürlich ? ist ja nicht merh als ein 0-5V Signal.
Würde dann nur nen 0.1µF Kondensator dazu machen, Abtastrate liegt bei 
72kHz.

[Franz (kubawu)]

Falk B. schrieb:
> Franz schrieb:
>> Wie würde deine Empfehlungnach der Überspannungsschutz aussehen ? :)
>
> So

Dankeschön :)

[Falk B. (falk)]

Franz schrieb:
> Done, für mein VErständniss bin ich noch nciht ganz da. Wie würde in dem
> Falle einer Verploung der Stromfluss blockiert werden ?

Ich beziehe mich mal auf meine Schaltung hier.

https://www.mikrocontroller.net/attachment/592292/ADC-Schutz_20mA.png

Bei negativem Strom am Eingang klemmt D3 in Flußrichtung auf ca. -0,7V. 
R2 begrenzt den Strom auf max. 70uA. D2 klemmt zusätzlich auf ca. -0,5V, 
weil der Strom so klein ist. R3 ist für die absoluten Angsthasen, der 
begrenzt den Strom auf nochmal unter 2mA, real deutlich weniger. 
(Differenz der Flußspannung der externen und internen Klemmdiode).

Bei positivem Überstrom ähnlich, wenn gleich dort die Klemmspannung von 
D3 eher bei 15V liegt. R2 begrenzt dann auf max. 1mA.

[Gerhard O. (gerhard_)]

Moin,

Der Vollständigkeit halber, möchte ich gerne noch auf diesen 4-20mA 
Current Loop Schutz-IC aufmerksam machen:

https://www.analog.com/en/products/max14626.html#product-overview

Gruß,
Gerhard

[Andrew T. (marsufant)]

Franz schrieb:
> nach dem 250Ohm gegen GND
> natürlich ? ist ja nicht merh als ein 0-5V Signal.

nicht 250, sondern 200 bzw. 220 Ohm,
weil Du sonst den Fehlerfall in der Stromschleife nicht vom uC   per SW 
diagnostizieren lassen kannst.

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Andrew T. schrieb:
> 220 Ohm,
> weil Du sonst den Fehlerfall in der Stromschleife nicht vom uC   per SW
> diagnostizieren lassen kannst.

Falls durch einen Fehler mal die vollen 24V aus der Konstantstromquelle 
kommen sollten, dann müsste der 220R Widerstand 2,6 Watt aushalten!

[Andrew T. (marsufant)]

Michael M. schrieb:
> Falls durch einen Fehler mal die vollen 24V aus der Konstantstromquelle
> kommen sollten, dann müsste der 220R Widerstand 2,6 Watt aushalten!

Nur wenn man no-TI berücksichtigen muss.

Einem 250er würde es nicht viel besser ergehen.

Mein voriger Post zielt aber wie Du unschwer erkennen könntest auf einen 
anderen Aspekt:
mit 250 Ohm kann man max. 100% erkennen (eher weniger, da Toleranz).

Mit 220 Ohm erkennt man definitv die 100%  (bei 5 V ADC)

[Mi N. (msx)]

Franz schrieb:
> ich bin dabei 0-20mA Eingang für meinen µC zu entwerfen.

Du hast ja einen ulkigen Sensor. Hat der einen internen Generator?

Vielleicht habe ich es überlesen, aber willst Du einen 0 - 20 mA Eingang 
mit separater Fremdspeisung oder einen 4 - 20 mA Eingang, der über zwei 
Adern angeschlossen wird?

Bei 4 - 20 mA stellst Du einfach einen auf 25 mA strombegrenzten Ausgang 
mit typ. 15 - 24 V bereit. Die Mindestspannungsdifferenz bei "üblichen" 
Drucksensoren liegt beispielsweise bei 10 V.
Und zur Auswertung reichen 200 Ohm, damit auch noch Luft zur Erkennung 
von Überlast bleibt.

[Franz (kubawu)]

Mi N. schrieb:
> Franz schrieb:
>> ich bin dabei 0-20mA Eingang für meinen µC zu entwerfen.
>
> Du hast ja einen ulkigen Sensor. Hat der einen internen Generator?
>
> Vielleicht habe ich es überlesen, aber willst Du einen 0 - 20 mA Eingang
> mit separater Fremdspeisung oder einen 4 - 20 mA Eingang, der über zwei
> Adern angeschlossen wird?
>
> Bei 4 - 20 mA stellst Du einfach einen auf 25 mA strombegrenzten Ausgang
> mit typ. 15 - 24 V bereit. Die Mindestspannungsdifferenz bei "üblichen"
> Drucksensoren liegt beispielsweise bei 10 V.
> Und zur Auswertung reichen 200 Ohm, damit auch noch Luft zur Erkennung
> von Überlast bleibt.

Mit dem Eingang will ich das SIgnal von Sollwertgebern erkennen und 
verarbeiten

[Thomas (kosmos)]

warum die 20mA nicht einfach durch die LED eines Optokopplers schicken, 
auf der anderen Seite hat man einen Transistor und kanns galvanisch 
getrennt abgreifen.

[Franz (kubawu)]

Gerhard O. schrieb:
> Moin,
>
> Der Vollständigkeit halber, möchte ich gerne noch auf diesen 4-20mA
> Current Loop Schutz-IC aufmerksam machen:
>
> https://www.analog.com/en/products/max14626.html#product-overview
>
> Gruß,
> Gerhard

Ganz nettes Teil. Aber ist dieser neben der Thermischen Sicherheit in 
Bezug auf Überspannung/Überstrom besser ? Arbeitsbereich lese ich 0.05mA 
- 24mA. Weil ich unteranderem 0(0.05mA)-20mA betreiben möchte

[Falk B. (falk)]

Thomas O. schrieb:
> warum die 20mA nicht einfach durch die LED eines Optokopplers schicken,
> auf der anderen Seite hat man einen Transistor und kanns galvanisch
> getrennt abgreifen.

Wozu? Und wer sagt, daß so ein analoger Optokoppler immer 100% 
Stromübertragung liefert?

[Franz (kubawu)]

Thomas O. schrieb:
> warum die 20mA nicht einfach durch die LED eines Optokopplers schicken,
> auf der anderen Seite hat man einen Transistor und kanns galvanisch
> getrennt abgreifen.

Bekommt man so genaue 0 - 20mA gemessen ?

Hab die obige Schaltung mal aufgebaut und an einem alten Sollwertgeber 
mit +60V und vermutlich erdbezug getestet. Funktioniert einwandfrei.
Ohne die Schutzbeschaltung hat sich der µC verabschiedet :S