Überspannungsschutz von µC ohne Spannungsteiler zu belasten

[joshi (Gast)]

Hi Leute,

ich möchte die Schaltung aus dem angehängten Bild aufbauen.

Falls im Fehlerfall keine 15 V anliegen, sondern eine höhere Spannung, 
könnte es zur Beschädigung des µC kommen.

Deshalb möchte ich einen Überspannungsschutz anbringen. Dieser darf den 
Spannungsteiler allerdings nicht belasten, damit ich ein korrektes 
Spannungsteilerverhältnis von 1:5 bekomme.

Eignet sich hier eine einfache Zener-Diode mit 3,6 V, um den µC-zu 
schützen.

Vielleicht sollte ich auch noch anmerken, dass das 15 V Signal eine 
Frequenz von bis zu 50 kHz hat.

Ich freue mich über eure Hilfe!

[Ray M. (ray_m)]

joshi schrieb:
> Hi Leute,
>
> ich möchte die Schaltung aus dem angehängten Bild aufbauen.
>
> Falls im Fehlerfall keine 15 V anliegen, sondern eine höhere Spannung,
> könnte es zur Beschädigung des µC kommen.
>
> Deshalb möchte ich einen Überspannungsschutz anbringen. Dieser darf den
> Spannungsteiler allerdings nicht belasten, damit ich ein korrektes
> Spannungsteilerverhältnis von 1:5 bekomme.
>
> Eignet sich hier eine einfache Zener-Diode mit 3,6 V, um den µC-zu
> schützen.

ja

[Falk B. (falk)]

@ joshi (Gast)

>Falls im Fehlerfall keine 15 V anliegen, sondern eine höhere Spannung,
>könnte es zur Beschädigung des µC kommen.

Wieviel höher?

>Deshalb möchte ich einen Überspannungsschutz anbringen. Dieser darf den
>Spannungsteiler allerdings nicht belasten, damit ich ein korrektes
>Spannungsteilerverhältnis von 1:5 bekomme.

Eine einfache Klemmdioden von deinem ADC-Eingangnach VCC reicht. 1N4148 
ist dein Freund.

>Eignet sich hier eine einfache Zener-Diode mit 3,6 V, um den µC-zu
>schützen.

Nein, denn die hat eine Bananenkurve und läßt auch bei 3,3V schon 
ordentlich Strom fließen.

[joshi (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Wieviel höher?

Ich habe mir das gerade nochmal überlegt. Ich glaube ich könnte sogar 
auf einen Schutz verzichten.

Denn mein STM32F4 ist bis auf die ADC-Eingänge überall 5 V tolerant und 
darf an diesen Pins eine MAXIMALE! Spannung von ungefähr 7 V haben.

Diese Grenze würde ich erst erreichen, wenn sich mein EIngangssignal den 
40 V nähern würde.

[Michael B. (laberkopp)]

joshi schrieb:
> Deshalb möchte ich einen Überspannungsschutz anbringen. Dieser darf den
> Spannungsteiler allerdings nicht belasten, damit ich ein korrektes
> Spannungsteilerverhältnis von 1:5 bekomme.

Datenblatt lesen.
Normalerweise enthält ein uC eine Eingangsschutzdiode

+15V    intern
 |      +-|>|-+-- +5V/3.3V
10k     |     |
 |      |  +------+
 +------+--|  uC  |
 |         +------+
2k5           |
 |            |
GND          GND

Wenn eine zu hohe Eingangsspannung über die 10k nicht zu zu viel Strom 
über die Diode führt (Datenblatt lesen, ein AVR verträgt z.B. 40mA, also
über die 10k 400V), dann reicht deine Schaltung schon.

Aber nur wenn die uC-Schaltung an den 5V/3.3V auch mehr als 40mA 
benötigt, sonst erhöht sich dort die Spannung.

Wird die Diode überlastet, dann kann man eine externe stärkere Diode 
benutuzen, aber besser keine Schottky-Diode die einen hohen 
Rückwärtsstrom hat und damit das Messergebnis verfälscht, sondern auch 
eine Siliziumdiode und weil die dann parallel mit der internen wäre, ein 
weiterer Widerstand.

+15V     1N4448
 |      +-|>|--------+-- +5V/3.3V
10k     |            |
 |      |      +-|>|-+ intern
 |      |      |     |
 |      |      |  +------+
 +------+--1k--+--|  uC  |
 |                +------+
2k5                  |
 |                   |
GND                 GND

Benötigt die uC-Schaltung keine 40mA (oder wie viel auch immer über die 
Eingangsschutzdiode maximal fliessen), dann muss dort noch ein 
Überspannungsschutz hin, z.-B. durch einen TL431 Shuntregler.

+15V
 |      +-|>|-+-------+----+--- +5V/3.3V
10k     |     |       |    |
 |      |  +------+  2k7   |
 +------+--|  uC  |   |    |
 |         +------+   +--TL431
2k5           |       |    |
 |            |      2k5   |
GND          GND      |    |
                     GND  GND

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
> joshi schrieb:
> ich möchte die Schaltung aus dem angehängten Bild aufbauen.
> Falls im Fehlerfall keine 15 V anliegen, sondern eine höhere Spannung,
> könnte es zur Beschädigung des µC kommen.
Ja, auch andere Störfälle z.B. ESD, Induzierte Überspannungen bei 
Blitzschlag usw. können einen uC eingang leicht beschädigen.

> Deshalb möchte ich einen Überspannungsschutz anbringen. Dieser darf den
> Spannungsteiler allerdings nicht belasten, damit ich ein korrektes
> Spannungsteilerverhältnis von 1:5 bekomme.
Logisch, jede Schutzbeschaltung muß darauf hin geprüft werden, wie weit 
sie die Schaltung beeinflusst und ob sie z.B. auch wirksam ist, wenn die 
Stromversogung aus ist.

> Eignet sich hier eine einfache Zener-Diode mit 3,6 V, um den µC-zu
> schützen.
Eine sehr einfache aber wirksame Methode sind Klemmdioden gegen +/- Ub
wie hier im Bild 1 gezeigt:
https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/ovprot.htm
Voraussetzng ist eine gute Strombegrenzung. Da darf der Spannungsteiler 
auch noch hochohmiger sein.
Falls der Leckstrom der Dioden bei hohen Temp. und hochohmigen 
Widerständen      ein Problem wird, sollten extra Leckstromarme Dioden 
eingesetzt werden.
Z.B. BAV199.
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-BAV199SERIES-DS-v01_01-en.pdf?fileId=db3a30431400ef6801141cba733104e5

> Vielleicht sollte ich auch noch anmerken, dass das 15 V Signal eine
> Frequenz von bis zu 50 kHz hat.
Also quasi Gleichstrom ;-)
Gruß Öletronika

[joshi (Gast)]

Michael B. schrieb:
> und weil die dann parallel mit der internen wäre, ein
> weiterer Widerstand.

Dieser belastet aber meinen Spannungsteiler.

U. M. schrieb:
> Eine sehr einfache aber wirksame Methode sind Klemmdioden gegen +/- Ub
> wie hier im Bild 1 gezeigt:

Diese Schaltung habe ich auch noch nie ohne die Widerstände vor und nach 
den Dioden gesehen. Kann ich auf diese verzichten und belasten die Diden 
meinen Spannungsteiler nicht???

[Michael B. (laberkopp)]

joshi schrieb:
> Dieser belastet aber meinen Spannungsteiler.

Da hast du aber was grundsätzliches an der Schaltung nicht verstanden.

joshi schrieb:
> belasten die Diden meinen Spannungsteiler nicht

Natürlich nicht, sie leiten ja erst im Fehlerfall.

[Thomas E. (picalic)]

joshi schrieb:
> Deshalb möchte ich einen Überspannungsschutz anbringen. Dieser darf den
> Spannungsteiler allerdings nicht belasten, damit ich ein korrektes
> Spannungsteilerverhältnis von 1:5 bekomme.

Ein unverfälschtes Teilerverhältnis ist nur bei Eingängen zur 
Spannungsmessung wichtig. Dem widerspricht aber:

joshi schrieb:
> Denn mein STM32F4 ist bis auf die ADC-Eingänge überall 5 V tolerant und
> darf an diesen Pins eine MAXIMALE! Spannung von ungefähr 7 V haben.
>
> Diese Grenze würde ich erst erreichen, wenn sich mein EIngangssignal den
> 40 V nähern würde.

Demnach scheint es um einen Digitaleingang zu gehen - wozu ist da ein 
absolut unverfälschtes Teilerverhältnis wichtig? Bei einem 5V-toleranten 
Digitaleingang könnte man einfach eine 5V6-Zenerdiode parallel zum 
Eingang klemmen, und der Strom, mit dem die Z-Diode bei kleineren 
Spannungen den Spannungsteiler belastet, ist für die digitale 
Schaltschwelle völlig unerheblich.
Und bei den AD-Eingängen braucht man keine extra Dioden - die internen 
Klemmdioden im STM32 können 5mA locker ableiten (Vin > 50V), ohne daß 
der Controller kaputt geht.
In der Regel braucht der ST, zumindest im Betrieb, auch mehr, als 5 mA, 
weshalb durch Speisung von VDD über die Klemmdiode mit < 5mA wohl eher 
keine Gefahr droht.