Hallo, ich will einen Temperatursensor PT100 mit einer Schaltung aus einer Application Note auslesen, das Bild zeigt die Schaltung dazu. Ich habe Sorge, dass beim Anschließen des Sensors die Eingänge des ADC durch ESD beschädigt werden. Deshalb suche ich eine geeignete Schutzschaltung. Da die Widerstandsänderung des Sensors über die Temperatur sehr gering ist, sollte die Schutzschaltung das Messergebnis nicht beeinflussen. Die Schaltung soll mit 5V betrieben werden, der MCP3551 verträgt dann an den Eingängen laut Datenblatt nur Spannungen im Bereich von -0,3V und 5,3V. Ich bin gespannt, ob und wie das möglich ist. Danke und Grüße Markus Datenblatt ADC: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20001950F.pdf Application Note: https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/OTH/ApplicationNotes/ApplicationNotes/00001154B.pdf
> Deshalb suche ich eine geeignete Schutzschaltung. mit den passenden Schottky-Dioden klemmen: https://www.eevblog.com/forum/beginners/adc-input-protection/ Man könnte auch einen ADC mit integrierter ESD-Protection auswählen.
Mark U. schrieb: > Da die Widerstandsänderung des Sensors über die Temperatur sehr gering > ist, sollte die Schutzschaltung das Messergebnis nicht beeinflussen. Als erste Maßnahme solltest du dann für deinen Sensor einen 4-Leiterabschluss wählen.
Vielleicht kann man auch hilfreiches aus dem Schutz von Digitaleingängen entnehmen: Beitrag "Digitaleingang ESD-Schutz Modularsynth"
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Mark U. schrieb: > Da die Widerstandsänderung des Sensors über die Temperatur sehr gering > ist, sollte die Schutzschaltung das Messergebnis nicht beeinflussen. Als erste Maßnahme solltest du dann für deinen Sensor einen 4-Leiterabschluss wählen. > Ich habe Sorge, dass beim Anschließen des Sensors die Eingänge des ADC > durch ESD beschädigt werden. Schließe den masseseitigen Anschluss des Sensors zuerst an (voreilender Kontakt). Der Pt100 ist so niederohmig, dass dann am anderen Anschluss keine elektrostatischen Ladungen mehr auftreten können.
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Bradward B. schrieb: >> Deshalb suche ich eine geeignete Schutzschaltung. > > mit den passenden Schottky-Dioden klemmen: > https://www.eevblog.com/forum/beginners/adc-input-protection/ > > Man könnte auch einen ADC mit integrierter ESD-Protection auswählen. Ist doch eh vorhanden: 1.1 Maximum Ratings* All inputs and outputs w.r.t VSS .... -0.3V to VDD + 0.3V Current at Input Pins .....................±2 mA
Das mit den Schottky-Dioden hatte ich auch schon irgendwo gelesen. Aber haben die nicht auch Leckströme(?), die das Messergebnis verfälschen würden?
Mark U. schrieb: > Das mit den Schottky-Dioden hatte ich auch schon irgendwo gelesen. Aber > haben die nicht auch Leckströme(?), die das Messergebnis verfälschen > würden? Dann nimm andere Dioden mit geringem Leckstrom. Die etwas höhere Spannung kann mit einen Widerstand zur Strombegrenzung vor den ADC-Eingängen abgefangen werden. Und das, wie schon erwähnt, am besten zusammen mit Vierleitertechnik.
H. H. schrieb: >> Man könnte auch einen ADC mit integrierter ESD-Protection auswählen. > > Ist doch eh vorhanden: > 1.1 Maximum Ratings* > All inputs and outputs w.r.t VSS .... -0.3V to VDD + 0.3V > Current at Input Pins .....................±2 mA Wie ist das mit der integrierten Schutzschaltung? Im Datenblatt steht unter den "Absolute Maximum Ratings": ESD protection on all pins (HBM, MM) >= 6 kV, >= 400V Wie ist diese Angabe zu verstehen? Vielleicht reicht das ja schon und eine zusätzliche Schutzschaltung wird gar nicht benötigt?
Bradward B. schrieb: > mit den passenden Schottky-Dioden klemmen: Besser mit Dioden mit geringem Leckstrom, sog. Picoamperedioden. Z.B. BAV199 als Doppeldiode in einem Gehäuse. Serienwiderstände vor und nach der Schutzbeschaltung !
Mark U. schrieb: > H. H. schrieb: >>> Man könnte auch einen ADC mit integrierter ESD-Protection auswählen. >> >> Ist doch eh vorhanden: >> 1.1 Maximum Ratings* >> All inputs and outputs w.r.t VSS .... -0.3V to VDD + 0.3V >> Current at Input Pins .....................±2 mA > > Wie ist das mit der integrierten Schutzschaltung? Der ADC hat die übliche Schutzschaltung mit 2 Dioden (gegen Vcc und GND) und einem Serienwiderstand. Die Dioden vertragen (mindestens) die besagten 2mA. Und zwar Dauerstrom, pulsweise Belastung ist nicht näher spezifiziert (Hersteller/FAE fragen). Die maximalen Spannungswerte gelten für potente Spannungsquellen. Also welche die dann mehrere Ampere Strom liefern und so die Schutzdioden zerstören können. Nicht für evtl. geladene parasitäre Kapazitäten wie sie in der Praxis auftreten. Bei einem Pt100 aber unwahrscheinlich wenn man den mit einem voreilenden GND-Kontakt anschließt. Zur weiteren Strombegrenzung kann man einen zusätzlichen Serienwiderstand vorsehen. Wann der anfängt den Meßwert zu verfälschen, ergibt sich aus dem Datenblatt. Bei den heute üblichen kapazitiven SAR Wandlern hilft dann aber ein Kondensator am ADC-Eingang.
> All inputs and outputs w.r.t VSS .... -0.3V to VDD + 0.3V > Current at Input Pins .....................±2 mA R zwischen Schutzbeschaltung und ADC: R = U / I = (0,7V - 0,3V) / 2 mA = Min. 200 Ohm
Dirk F. schrieb: >> All inputs and outputs w.r.t VSS .... -0.3V to VDD + 0.3V >> Current at Input Pins .....................±2 mA > > R zwischen Schutzbeschaltung und ADC: > R = U / I = (0,7V - 0,3V) / 2 mA = Min. 200 Ohm Unsinn. 3.2 Analog Inputs (VIN+, VIN-) [...] The absolute voltage range on these input pins extends from VSS – 0.3V to VDD + 0.3V. Any voltage above or below this range will create leakage currents through the Electrostatic Discharge (ESD) diodes. This current will increase exponentially, degrading the accuracy and noise performance of the device. The common mode of the analog inputs should be chosen such that both the differential analog input range and the absolute voltage range on each pin are within the specified operating range defined in Section 1.0 “Electrical Characteris- tics”.
Axel S. schrieb: > Zur weiteren Strombegrenzung kann man einen zusätzlichen > Serienwiderstand vorsehen. Wann der anfängt den Meßwert zu verfälschen, > ergibt sich aus dem Datenblatt. Bei den heute üblichen kapazitiven SAR > Wandlern hilft dann aber ein Kondensator am ADC-Eingang. ACK.
Bradward B. schrieb: > mit den passenden Schottky-Dioden klemmen Oh ha, die haben Fehlströme die sein Messergebnis versauen. Wenn, dann wenigstens eine richtige Diode die auch sperren kann BAV199 oder so.
Mark U. schrieb: > Deshalb suche ich eine geeignete Schutzschaltung. Die ist eingebaut bis 4kV, siehe Datenblatt.
Mark U. schrieb: > der MCP3551 verträgt dann an den Eingängen laut Datenblatt nur > Spannungen im Bereich von -0,3V und 5,3V. Du schaust da den völlig falschen (statischen) Parameter an. Denn wenn du ESD-Impulse betrachtest, dann gilt die Angabe weiter unten. Nach dem Human Body Modell kann der 6kV ab. Das ist schon mal gar nicht ohne. - https://www.st.com/resource/en/application_note/an6249-how-to-protect-a-high-side-current-sensing-against-esd-stmicroelectronics.pdf Und solche Impulse werden nicht mit Widerständen bedämpft (die müssten dann ja diese 6kV aushalten), sondern mit TVS-Dioden, Induktivitäten und Kondensatoren. Und diese Bauteile kommen dann auch nicht an den ADC, sondern direkt an die Anschlussklemme bzw. den -stecker. - https://www.ti.com/lit/an/sbaa547/sbaa547.pdf
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Lothar M. schrieb: > Und solche Impulse werden nicht mit Widerständen bedämpft (die müssten > dann ja diese 6kV aushalten), sondern mit TVS-Dioden, Induktivitäten und > Kondensatoren. Und diese Bauteile kommen dann auch nicht an den ADC, > sondern direkt an die Anschlussklemme bzw. den -stecker. > - https://www.ti.com/lit/an/sbaa547/sbaa547.pdf Diese Appnote schlägt durchaus Widerstände vor, eben in geeigneter Kombination mit TVS-Dioden und Kondensatoren. Also R - TVS - R - C. Wobei mich die dort genannte SMBJ14CA etwas wundert. Das ist ein ziemlich dicker Klopper, eigentlich eher für Surges auf Versorgungsleitungen etc. gedacht. Bei ADC-Eingängen habe ich in der Vergangenheit mit der von Dirk bereits genannten BAV199 (gegen die Versorgungsspannung und GND) gute Erfahrungen gemacht. Viele andere Dioden haben zu hohe Leckströme wenn Du im Milliohm-Bereich messen willst.
H. H. schrieb: > Unsinn. > > 3.2 Analog Inputs (VIN+, VIN-) Warum Unsinn ? Wenn der Eingang max. 0,3V über den VCC haben darf und max. 2 mA über die internen Schutzdioden im Fehlerfall (Nicht Normalmodus !!) fließen dürfen, dann passt meine Berechnung. Die BAV199 begrenzt auf VCC + 0,7V. Dann müssen am R noch weitere 0,4V abfallen bei 2 mA, damit man in der Spezifikation bleibt.
> Aber > haben die nicht auch Leckströme(?), die das Messergebnis verfälschen > würden? Naja, einfach mal die Ströme überschlagen/berechnen die dort fliessen, da sollte das bisserl Leckstrom nicht viel anrichten. Und letzlich haste doch einen Mikrocontroller an dem AD-Wandler, der kann diese "Störgröße" ja rausrechnen bei der Berechnung des Anzeigewertes. > Vielleicht reicht das ja schon und > eine zusätzliche Schutzschaltung wird gar nicht benötigt? Ist halt die Frage, wieviel ESD Schutz man braucht ... manche sagen, es muss den ESD-Test fürs CE-Kennzeichen bestehen. So ein Test wird seit einigen Jahren mit 6kV gefahren, früher war es mal weniger (?2kV?) und in Automotive überlegt man demnächst auf 8kV Prüfspannung zu gehen. Im Profibereich macht man es eher so wie in Beitrag "Re: ESD-Schutz für ADC" beschrieben, also gleich am "Rand" wo der Anschluss ist. Dann hat man mit den Schutzbeschaltungs-pads auch gleich einen Testpunkt für die Scopespitze bei der Inbetriebnahme.
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Dirk F. schrieb: > Die BAV199 begrenzt auf VCC + 0,7V. > Dann müssen am R noch weitere 0,4V abfallen bei 2 mA, damit man in der > Spezifikation bleibt. So leicht es leider nicht. Denn das ist eine sehr DC-mäßige Betrachtung. ESD ist aber alles andere als DC. Der ADC ist selbst bereits gegen kleinere ESD-Impulse geschützt. Die BAV199 (oder andere TVS) ist zusammen mit dem/den Rs dazu da das, was über den Eigenschutz hinausgeht, abzufangen. Auch bei einem ESD-Impuls innerhalb des Eigenschutz-Bereichs des ADCs wird die Spannung klar über den Vcc+0,7V liegen ab denen die BAV199 zu leiten beginnt. Wobei die 0,7V natürlich auch nicht ein fester Schwellwert, sondern sich dynamisch verändernd sind. Und dann kommen natürlich noch die Widerstände dazu. So ist das auch in der oben von Lothar verlinkten Appnote gedacht: The maximum voltage on ADS124S08 is 5.3 V when the AVDD is 5 V, so any positive electrical overstress signal higher than which 5.3 V should be clamped for protecting the input of the ADS124S08. In this solution, the SMBJ14CA bidirectional TVS diode is selected to protect the ADC from an electrical overstress signal. This diode will break down between 15.6 V and 17.9 V and limit the input voltage. This voltage level exceeds the absolute maximum of the ADC, but current-limiting resistors in conjunction with the ADS124S08S internal ESD diodes will protect the device.
Dirk F. schrieb: > H. H. schrieb: >> Unsinn. > Warum Unsinn ? > Wenn der Eingang max. 0,3V über den VCC haben darf und max. 2 mA über > die internen Schutzdioden im Fehlerfall (Nicht Normalmodus !!) fließen > dürfen, dann passt meine Berechnung. Nein. > Die BAV199 begrenzt auf VCC + 0,7V. > Dann müssen am R noch weitere 0,4V abfallen bei 2 mA, damit man in der > Spezifikation bleibt. Die internen Schutzdioden sind auch nur Si PN-Übergänge. Die leiten bei 0.3V bei weitem(!) keine 2mA. Der Hersteller läßt sich im Datenblatt nur eben gehörig viel Spielraum. Und ein Widerstand ist da intern idR auch drin. Dieses Datenblatt zeigt zwar keine Darstellung der Schutzbeschaltung, viele andere aber schon. Der Widerstand ist größenordnungsmäßig zwischen 200Ω und 2kΩ. Aber natürlich verträgt der auch keine hohe (statische!) Verlustleistung. Aber das Datenblatt spezifiziert ja auch die ESD-Festigkeit nach dem HBM. Das entspricht einem 100pF Kondensator mit einem 1.5kΩ Reihenwiderstand. Und da widersteht der ADC einem Impuls wie er entsteht, wenn der Kondensator mit 6kV geladen ist und dann an den Eingang gelegt wird. Externe Schutzdioden bringen da effektiv gar nichts. Außer weiterem Leckstrom und weiterer Kapazität. Es sei denn man will Schottky-Dioden verwenden, die haben nur dummerweise noch mehr Leckstrom. Wenn man da noch was verbessern will, kann man einen externen Serienwiderstand vorsehen. Und einen Kondensator vom ADC-Eingang nach GND. Der dient nicht nur als Tiefpaß gegen Einstreuungen, sondern puffert die Spannung auch kurzfristig. Wenn man sich noch über was anderes Gedanken machen will, dann darüber was mit Vdd passiert wenn die Schutzdiode da einen Strom vom bis zu 2mA einspeist. Oder noch viel mehr impulsweise.
Dirk F. schrieb: > Die BAV199 begrenzt auf VCC + 0,7V. In welchem Fall? Woher aus dem Datenblatt hast du diese 0,7V? Sind das die "üblichen" 0,7V, die man in der Schule so lernt? Welcher Strom kommt beim ESD Impuls an der Diode an? Wenn das 400mA sind, dann hat die BAV199 bereits 1,2V Durchlasspannung. Und bei Stömen über 400mA ist spannungsmäßig gar nichts mehr spezifiziert, sondern nur noch, dass sie nicht kaputtgeht bei einem Stromimpuls mit 2A der kürzer ist als 1µs. Aber weil so eine Diodenkennlinie eine e-Funktion ist, kann man bei diesen 2A schon mal eine Uf von 2V ansetzen. Dazu auch der Beitrag "Re: Diode mit scharfem "Knick"" Aber jetzt kommt der Witz: diese von dir wiederholt zitierten > Spannungen im Bereich von -0,3V und 5,3V. sind aus den statischen Absolute Maximum Ratings entnommen. Dort stehen die drin, weil dann die internen Schutzdioden zu leiten beginnen. Und die vertragen keine hohen statischen Dauerleistungen, sondern sind für sehr kurze Impulsleistungen ausgelegt. Und deshalb muss man im Normalbetrieb von diesen Grenzen wegbleiben. Im ESD-Fall können an den Pins aber durchaus deutlich höhere Spannungen auftreten. Axel S. schrieb: > Wenn man da noch was verbessern will, kann man einen externen > Serienwiderstand vorsehen. Eine Spule ist auch nicht schlecht. Oder gleich ein ESD/EMI-Durchgangs-Filter in der Art: - https://www.littelfuse.com/de/products/capacitors-inductors-resistors/emi-filters - https://www.ti.com/product/de-de/TPD6F003/part-details/TPD6F003DQDR
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Mark U. schrieb: > Vielleicht reicht das ja schon und eine zusätzliche Schutzschaltung wird > gar nicht benötigt? Das kommt drauf an, wogegen genau du schützen möchtest. Soll nur verhindert werden, dass beim Anschließen des Sensors eine schädigende Entladung auftritt oder sind irgendwelche konkreten Prüfbedingungen spezifiziert?
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> Soll nur > verhindert werden, dass beim Anschließen des Sensors eine schädigende > Entladung auftritt Ein gern beschriebenes Argument ist, das sich das Gerät über den angeschlossenen Sensor (bspw. Pt100-Draht) eine Entladung wie einen Blitz oder ähnliches "einfängt". Also nicht nur, das ein Bediener das Gerät berührt und man vom HBM ausgehen kann. Oft genannt werden die negativen Einflüße bei trockener Luft. BTW, wieviel kV bringt eigentlich eine gestreichelte Katze ?
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Bradward B. schrieb: > Also nicht nur, das ein Bediener das Gerät berührt und man vom HBM > ausgehen kann. Oft genannt werden die negativen Einflüße bei trockener > Luft. > > BTW, wieviel kV bringt eigentlich eine gestreichelte Katze ? Um solchen Fragen bei jeder einzelnen Schaltungsauslegung aus dem Weg zu gehen, werden ESD-Prüfbedingungen spezifiziert (Spannung, Ladung, Pulsform). > Ein gern beschriebenes Argument ist, das sich das Gerät über den > angeschlossenen Sensor (bspw. Pt100-Draht) eine Entladung wie einen > Blitz oder ähnliches "einfängt". Das war aber nicht die Frage des TO. Dabei kommt es außerdem nicht nur auf den ADC-Eingang an, sondern auch auf den Sensor, seine Anschlussleitung und die Einbaubedingungen.
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>> Ein gern beschriebenes Argument ist, das sich das Gerät über den >> angeschlossenen Sensor (bspw. Pt100-Draht) eine Entladung wie einen >> Blitz oder ähnliches "einfängt". > > Das war aber nicht die Frage des TO. Doch, der TO hat konkret und ausschliesslich einen PT100 - Sensor ins Gespräch gebracht. Das sind praktischerweise "Kabelfühler" die deutlich vom Gerät weg zum Messpunkt zeigen. PT100 impliziert auch Industrieanlagen, der zugehörige Standard heisst ja auch kurz "Industrielle Temperatursensoren". Will man nur unmittelbare Umgebung messen, nimmt man keinen Kabelfühler, da reicht ein Stück "Hühnerfutter".
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Bradward B. schrieb: > Doch, der TO hat konkret und ausschliesslich einen PT100 - Sensor ins > Gespräch gebracht. Lies genau. Er sprach von ESD beim Anschließen und das ist mit voreilendem Schirm-/Massekontakt erledigt, eben weil ein Pt100 so niederohmig ist, dass es keine statische Aufladung zwischen seinen Anschlüssen gibt. Mark U. schrieb: > Ich habe Sorge, dass beim Anschließen des Sensors die Eingänge des ADC > durch ESD beschädigt werden.
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>> Doch, der TO hat konkret und ausschliesslich einen PT100 - Sensor ins >> Gespräch gebracht. > > Lies genau. > Er sprach von ESD beim Anschließen und das ist mit voreilendem > Schirm-/Massekontakt erledigt, eben weil ein Pt100 so niederohmig ist, > dass es keine statische Aufladung zwischen seinen Anschlüssen gibt. Naja die Physik schert sich einen Scheiss drum und eine Entladung sucht sich ihren Weg ohne groß vorher Handbücher zu lesen. An die Geräte-Anschlüsse eines elektronischen Gerätes, das robust sein soll, gehört ein ESD-Schutz. Jajaja, der TO hat nichts davon geschrieben das es robust (im Außeneinsatz) sein soll. Vielleicht ist er ein Handwerker, der auf den Verdienst bei Gerätetausch ("Blitzschaden, da kann man nichts mehr machen ...") angewiesen ist ...
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Bradward B. schrieb: > Naja die Physik schert sich einen Scheiss drum und eine Entladung sucht > sich ihren Weg ohne groß vorher Handbücher zu lesen. Eben - nachdem die Ladung über den voreilenden Kontakt den Weg zur Masse gefunden hat und abgeflossen ist, gibt es keine statische Aufladung mehr, die einen Ausweg sucht. Solange der TO nicht genau schreibt, wie sein Sensor aufgebaut ist, wie seine Kabelverbindung aussieht und gegen was für Pulse er schützen möchte, ist das alles blinde Raterei. Bradward B. schrieb: > Jajaja, der TO hat nichts davon geschrieben das es robust (im > Außeneinsatz) sein soll. Gegen einen direkten Blitzeinschlag in den Sensor musst du andere Geschütze auffahren. Den Blitz interessiert ein TVS mit Widerstand und Kondensator nicht.
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> Solange der TO nicht genau schreibt, wie sein Sensor aufgebaut ist, wie > seine Kabelverbindung aussieht und gegen was für Pulse er schützen > möchte, ist das alles blinde Raterei. Nein ist es nicht, da nimmt man eben Standardverfahren und das sind eben Schutzdioden nah am Anschluss. Das mit "voreilender Kontakt" aka, "Masseanschluss länger als Signalanschluss" macht man weiterhin, weil es eben bei Hot-Plug sinvoll ist, ersetzt aber keine (heute preiswerten) ESD-Schutzmassnahmen. Beispiel USB-Stecker siehe Anhang aus http://fab.cba.mit.edu/classes/863.16/doc/projects/FabFTDI/FabFTDI.html OK, Hi-speed datenleitungen sind noch andere Hausnummer, da kommt es auf "parasitäre" Kapazitäten an.
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Bradward B. schrieb: > Nein ist es nicht, da nimmt man eben Standardverfahren Genau, und die setzen eben voraus, dass auch Standardprüfbedingungen spezifiziert sind. Oder woher weißt du sonst, welches "Standardverfahren" angesagt ist? Da gibt es etliche Kommissionen, die sich genau mit ESD-Prüfverfahren beschäftigen. Ansonsten besitzt der ADC bereits einen "Standard-ESD"-Schutz. > OK, Hi-speed datenleitungen sind noch andere Hausnummer, da kommt es auf > "parasitäre" Kapazitäten an. Eben genau die parasitären Kapazitäten der Anschlussleitung zähmen ESDs, deren Dauer bei gängigen Prüfbedingungen deutlich unter 100ns liegt.
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