Moin, ich habe ein bisschen angefangen, mich mit Schutzschaltungen zu beschäftigen. Vieles ist mir aber noch unklar, insbesondere weil es hier oft (scheinbar) keine Standardlösungen gibt. Jeder macht und empfiehlt etwas leicht bis stark Anderes. Naja, viele Hobbybastler interessieren sich gar nicht erst für sowas. Hier nun meine Fragen: 1. Schutz von Pins, die nach außen geführt werden Ein Serienwiderstand ist sinnvoll, darüber gibt es wenig Diskussion. Wie soll der allerdings dimensioniert werden? Und wie geht man mit Ausgängen um, die eine hohe Treiberleistung erbringen müssen, insbesondere Open Collector / Open Drain? Weiterhin schwören einige auf externe Clamping-Dioden, andere meinen wieder die internen Clamping-Dioden im MCU reichen aus, wenn ein Serienwiderstand vorhanden ist. Und was für externe Dioden am Besten verwendet werden sollen, ist mir auch nicht klar. Reichen da normale Kleinsignaldioden oder sollten es Schottkys sein? In vielen Schutzschaltungen haben ich auch einen kleinen Kondensator (1..100nF) parallel zwischen GND und Eingang/Ausgang gesehen. Das müsste doch als Tiefpass wirken, oder verstehe ich da etwas falsch? Für viele Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das Signal nicht mehr durchkommt. 2. Überspannung/Transienten Wann ist eine Suppressordiode sinnvoll, wann lieber eine Drossel, oder sollte man das sowieso immer in Kombination verwenden? Wie sollten diese Elemente verschaltet und ausgelegt werden? 3. Kurzschluss Kann man bedenkenlos und ohne weitere Schutzmaßnahmen Polyfuses bei Kleinspannungen verwenden?
ich nehme an, es geht um digitale Signale mit Logikpegel (also um 3 oder 5V). > Wie soll der allerdings dimensioniert werden? Kommt auf die Frequenz und die Eingangskapazität an. Mein alter Nadeldrucker hatte 100 Ohm. > Und wie geht man mit Ausgängen um, die eine hohe Treiberleistung erbringen müssen Das hat nichts mir dem Serienwiderstand zu tun. Eine erhöhte Treiberleistung wäre bei einem parallel-Widerstand nötig. > externe Clamping-Dioden, andere meinen wieder die internen Clamping-Dioden im MCU reichen aus Das ist auch so, wenn mittel Vorwiderstand sichergestellt ist, dass sie nicht überlastet werden. Bei den meisten Mikrocontrollern und Logik-IC's sind 1-2mA zulässig. Es hängt auch von der SPannung ab, vor der man schützen möchte. Bei 12V reichen 10k Ohm ohne extra Dioden, aber bei 300 Volt geht es nicht mehr so einfach. > Und was für externe Dioden am Besten verwendet werden sollen Die Dioden müssen den Strom aushalten, und an ihnen darf nicht mehr Spannung abfallen, als der Chip dahinter verträgt. Wenn z.B. einen AVR Mikrocontrolelr mit 1N4001 schütze und diese mit 1 Ampere belasten, fallen an diesen Dioden weit mehr als 0,7V ab, so dass der AVR kaputt geht. Andererseite möchte man die Dioden nicht größ0er machen als nötig, weil große Dioden auch große Kapazität haben. > Kondensator (1..100nF) ... Das müsste doch als Tiefpass wirken Ja > Für viele Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das > Signal nicht mehr durchkommt. Ja, kommt halt auf die Frequenz an. Mein alter Drucker hatte 220pF an jeder Datenleitung. Zusammen mit den 100 Ohm Vorwiderständen ergab sich eine Beschränkung der Übertragungsrate. Andererseit wurde er dadruch aber auch unempfindlich gegen statische Ladungen, sowie kurze Störimpulse. > Wann ist eine Suppressordiode sinnvoll, wann lieber eine Drossel Ich weiss nicht, was eine Suppressor Diode ist. Drosseln filtern hohe Frequenzen stärker heraus, als niedrige. Wenn Dein Nutzsignal eine niedrige Frequenz hat, könnte eine Drossel daher besse geeignet sein, als ein Widerstand, der alle Frequenzen gleich bedämpft. In Kombination mit einem Kondensator verstärkt sich der Effekt noch -> Siehe Grundlagen zu R/C und L/C Filtern. > Kann man bedenkenlos und ohne weitere Schutzmaßnahmen Polyfuses > bei Kleinspannungen verwenden? Nein. Im Kurzschlussfall gehen elektronische Bauteile (z.B. Dioden und Transistoren) meist schneller kaputt, als die Polyfuse anspricht. Sie eignen sich aber gut, um Transformatoren zu schützen, da die nicht so schnell durch brennen. Bei begrenztem Strom eignen sie sich auch, um Kabel und Leiterbahnen zu schützen, z.B. am USB Port. Aufgrund des Leitungswiderstandes ist ein "echter" Kurzschluss am USB Port sehr unwarscheinlich. Aber es kann ein erhöhter Strom in Größenordnung von einigen Ampere fließen. Damit dabei nicht die Leiterbahnen im Computer weg brennen, bieten sich Polyfuses an. Der Haken ist jedoch, dass sie (im Vergleich zu Schmlezsicherungen) einen recht hohen Innenwiderstadn haben, vor allem, nachdem sie einmal ausgelöst haben. Für externe USB festplatten eignen sie sich daher wieder nicht, deswegen sind die USB Ports der meisten Computer ungeschützt.
80% der gestorbenen Teile mit Außenverbindung hatten irgendein Masseproblem. Deshalb sollte man immer darauf achten, daß Steckverbinder ausreichend zuverlässige Masseverbindungen haben und diese rechtzeitig Kontakt geben und lange genug Kontakt geben wenn irgendein DAU die Verbindung trennt. Die restlichen Maßnahmen beziehen sich darauf, unverträglich hohe Leistungen von der Schaltung fern zu halten.
Da gibt es keine Standardlösung, das muss man sich eben selbst ausrechnen weil es von Fall zu Fall variiert. Die Grenzfrequenz eines Tiefpass muss logischerweise über der Signalfrequenz liegen.. Der Widerstand am Eingang muss in jedem Fall noch den Strom durchlassen, den der Eingang benötigt. Über die Clamping Dioden eines AVR darf meines Wissens 1mA fließen, das ist nicht viel, entsprechend groß sollte daher der Eingangswiderstand sein wenn Spannungsspitzen zu erwarten sind..
stefan us schrieb: > ich nehme an, es geht um digitale Signale mit Logikpegel (also um > 3 oder > 5V). > Ja, genau. Hätte ich wohl erwähnen sollen. >> Wie soll der allerdings dimensioniert werden? > > Kommt auf die Frequenz und die Eingangskapazität an. Mein alter > Nadeldrucker hatte 100 Ohm. > >> Und wie geht man mit Ausgängen um, die eine hohe Treiberleistung erbringen > müssen > > Das hat nichts mir dem Serienwiderstand zu tun. Eine erhöhte > Treiberleistung wäre bei einem parallel-Widerstand nötig. > Naja, man weiß halt nicht immer, wie hoch eventuelle Pullups an der anderen Seite des Interfaces sind. Wenn man es mit dem Ausgang nicht mehr schafft, das Signal verlässlich auf Masse herunterzuziehen, ist das... ungut. ;) >> externe Clamping-Dioden, andere meinen wieder die internen Clamping-Dioden im > MCU reichen aus > > Das ist auch so, wenn mittel Vorwiderstand sichergestellt ist, dass sie > nicht überlastet werden. Bei den meisten Mikrocontrollern und Logik-IC's > sind 1-2mA zulässig. Es hängt auch von der SPannung ab, vor der man > schützen möchte. Bei 12V reichen 10k Ohm ohne extra Dioden, aber bei 300 > Volt geht es nicht mehr so einfach. > Hmm, leider habe ich keine Informationen darüber gefunden, was die internen Dioden z.B. bei AVR oder MSP430 aushalten sollen. >> Und was für externe Dioden am Besten verwendet werden sollen > Die Dioden müssen den Strom aushalten, und an ihnen darf nicht mehr > Spannung abfallen, als der Chip dahinter verträgt. Wenn z.B. einen AVR > Mikrocontrolelr mit 1N4001 schütze und diese mit 1 Ampere belasten, > fallen an diesen Dioden weit mehr als 0,7V ab, so dass der AVR kaputt > geht. > Okay, stimmt. Die Absolute Maximum Ratings bewegen sich meistens nicht höher als Vcc+0.5V oder so an den Inputs. >> Kondensator (1..100nF) ... Das müsste doch als Tiefpass wirken > > Ja > >> Für viele Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das >> Signal nicht mehr durchkommt. > > Ja, kommt halt auf die Frequenz an. Mein alter Drucker hatte 220pF an > jeder Datenleitung. Zusammen mit den 100 Ohm Vorwiderständen ergab sich > eine Beschränkung der Übertragungsrate. Andererseit wurde er dadruch > aber auch unempfindlich gegen statische Ladungen, sowie kurze > Störimpulse. > Hmm, interessant. Ich hätte vermutet, dass kleine Kondensatoren dann auch eher wenig Schutz bieten, und irgendwann kann man es dann gleich sein lassen. >> Wann ist eine Suppressordiode sinnvoll, wann lieber eine Drossel > > Ich weiss nicht, was eine Suppressor Diode ist. Auch bekannt als TVS-Diode oder einfach Überspannungs-Schutzdiode. > Drosseln filtern hohe > Frequenzen stärker heraus, als niedrige. Wenn Dein Nutzsignal eine > niedrige Frequenz hat, könnte eine Drossel daher besse geeignet sein, > als ein Widerstand, der alle Frequenzen gleich bedämpft. In Kombination > mit einem Kondensator verstärkt sich der Effekt noch -> Siehe Grundlagen > zu R/C und L/C Filtern. > Ich dachte eher an eine Drossel an der Versorgungsspannung. >> Kann man bedenkenlos und ohne weitere Schutzmaßnahmen Polyfuses >> bei Kleinspannungen verwenden? > > Nein. Im Kurzschlussfall gehen elektronische Bauteile (z.B. Dioden und > Transistoren) meist schneller kaputt, als die Polyfuse anspricht. Sie > eignen sich aber gut, um Transformatoren zu schützen, da die nicht so > schnell durch brennen. Schade. Ich habe fast schon so etwas vermutet. Dann im Zweifelsfall doch lieber eine altmodische Schmelzsicherung. > Der Haken ist jedoch, dass sie > (im Vergleich zu Schmlezsicherungen) einen recht hohen Innenwiderstadn > haben, vor allem, nachdem sie einmal ausgelöst haben. -> siehe Raspberry Pi. ;) Da gibt es mit den Polyfuses Probleme.
> Wie soll der allerdings dimensioniert werden? So, daß er bei Nennstrom nicht stört. > Und wie geht man mit Ausgängen um, die eine hohe Treiberleistung > erbringen müssen, insbesondere Open Collector / Open Drain? Eben drum geht der Widerstand nicht als Standardlösung. > Weiterhin schwören einige auf externe Clamping-Dioden, andere meinen > wieder die internen Clamping-Dioden im MCU reichen aus, wenn ein > Serienwiderstand vorhanden ist. Wenn dank des Serienwiderstandes auch bei höchster ESD Eingangsspannung nicht mehr Strom fliessen kann, als die Eingangsdioden laut Datenblatt abkönnen, reichen die internen, sonst müssen leistungsfähigere externe dazu. > Und was für externe Dioden am Besten > verwendet werden sollen, ist mir auch nicht klar. Reichen da normale > Kleinsignaldioden oder sollten es Schottkys sein? Wenn man Schottkys verwendet, kann amn sicher sein, daß der Spannungsabfall geringer ist als an den eingebauten, man braucht also keinen zusätzlichen Widerstand zwischen externern Dioden und Eingang. Allerdings haben Schottky einen hohen Sperrstrom, wenn der also stört muss man ordentliche Dioden wie BAV99 verwenden, bei hohen Frequenzen besonder niedrige Kapazität, und die wiederum erfordern einen zusätzlichen Widerstand zwischen Dioden und Eingang mit seinen eigenen Eingangsschutzdioden damit über die viel weniger (und damit nicht zu viel) Strom fliesst. > In vielen Schutzschaltungen haben ich auch einen kleinen Kondensator > (1..100nF) parallel zwischen GND und Eingang/Ausgang gesehen. Das müsste > doch als Tiefpass wirken, oder verstehe ich da etwas falsch? Genau dafür ist er da: Tiefpass ehisst: Der Funke hohe Spannung wird geplättet und man muss nunr noch mit der geringeren Spitzenspannung auskommen. > Für viele Anwendungen kann man das gar nicht einsetzen, da das > Signal nicht mehr durchkommt. Ach. Du hast also verstanden, warum es keine Patentlösung gibt.
Interessante Diskussion, siehe auch meine Fragen bei: Beitrag "Voltage-Level Translator" Aus eigener Erfahrung kann ich dazu auch noch sagen, dass die Qualität des Netzteils eine große Rolle spielt. Ich werde nie wieder irgend ein so USB oder Handy-Lade Netzteil benützen.
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