Hallo!, ich bräuchte wieder einmal Unterstützung von Elektronik Experten. Ich baue gerade an einer Schaltung die Schaltzustände im Auto überwachen soll. Die Eingänge des AVR (Attiny84) müssen natürlich gegen Überspannung geschützt werden. Dazu habe ich eine kleine Schaltung erstellt, die auch hohe Spannungspitzen ~100V überstehen soll. Außerdem soll die Schaltung Kabelbruchsicher sein. Kann man das so machen oder ist der Ansatz komplett falsch? Bitte nicht verwirren lassen: Die 0.6W am Spannungsteiler werden natürlich nie benötigt... Für Tipps, Hinweise & Verbesserungen würde ich mich freuen! Gruß, Tim
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Ich finde die Schaltung Overkill. Was ich immer mache wenn ich sowas idiotensicher haben möchte, einfache Transistorstufe mit möglichst hohem Basiswiderstand plus einfache Schutzdioden (z.B. 1N4007) für den Verpolschutz. Um sowas wegzuschießen muß man sich schon Mühe geben, theoretisch würde das den Anschluß an eine Steckdose überleben. Da geht dann der DAU kaputt (wegen Phase an Masse wenn er Pech hat), aber die Schaltung nicht. Edit: Den PullUp kannste auch weglassen, den hat der AVR intern.
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Das halte ich für viel zu aufwändig! - Verpolschutz und Sicherung: ok, weil KL15 schon Dampf haben kann. - Transil mit 16V: a) überflüssig, b) bei Jumpstart wechselst du zumindest die Sicherung. Wenn schon Transil, dann bei 35-40V. - Warum Transistor? Brauchst du das Signal invertiert? Die Basis des Transistors hält auch ohne Transil, Spule usw. über den Teiler 47k/10k und den RB mit 10k die 100V aus - da fließen nicht mal 2mA in die Basis. Was brauchst du? - nach der Verpolschutzdiode einen 10k-Widerstand, gerne noch mit Teiler von 7...9V auf den Logik-High-Pegel, eine Z-Diode passend zum Logikpegel und dann direkt an den Tiny-Eingang. Alternativ statt Z-Diode: zwei normale Dioden zwischen VCC - Pin - GND in Sperrichtung. Das reicht, wenn die µC-Schaltung selbst wenigstens 10mA zieht. Der Transistor ist dann sinnvoll, wenn du am Eingang HIGH bekommst, aber dein µC nicht versorgt ist.
Der AVR-Pin hat interne Schutzdioden gegen Vcc und GND. Atmel hat mal eine application note für einen Phasenanschnitt-Dimmer oder sowas herausgebracht, wo ein AVR-Pin über einen Vorwiderstand direkt an der 230V-Steckdose hing. Die scheinen sich also sehr sicher zu sein, daß diese Dioden gut sind. Also wahrscheinlich kann man sich das ganze Transistor-Gelumpe bei einem AVR sparen, wenn man einen sehr hochohmigen Vorwiderstand am Pin verwenden kann. Das kommt drauf an, welchen Kompromiss man sich zwischen maximaler Spannung am Eingang und der Schaltschwelle erlauben kann.
Es wird nur benötigt ein Widerstand 100k vom Signal zur Basis. Zwischen Basis und Emitter/Ground der bereits vorhandene 100k Widerstand und parallel eine simple Diode 1N4748 in Gegenrichtung, da die EB-Streckendiode in Sperrichtung oberhalb von 6V durchbricht. Parallel schalten man zum Entprellen noch einen Kondensator von wenigen nF.
Ben B. schrieb: > wo ein AVR-Pin über einen Vorwiderstand > direkt an der 230V-Steckdose hing. Die scheinen sich also sehr sicher zu > sein, daß diese Dioden gut sind. Dieses Schaltung läuft bei mir schon ein paar Jahre in einem Dimmer. Allerdings habe ich den einen Vorwiderstand durch 2 * 1MOhm in Reihe ersetzt, hängt ja an 230V und ein normaler Widerstand ist für über 200V nicht so gut. Fürs Kfz würde ich vermutlich irgendwas um 100k - 330k wählen. Tim M. schrieb: > Die 0.6W am Spannungsteiler werden > natürlich nie benötigt Und 0,1% Genauigkeit ist auch überflüssig.
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Vielen Dank für die Ganzen Vorschläge! Ihr habt recht - Da habe ich sicherheitstechnisch völlig übertrieben...^^ Ich habe jetzt eine neue und einfachere Schaltung entworfen. Was haltet Ihr von dieser? (Dieses mal ohne Invertierung) Bei 100V werden am 10k Widerstand 1W Leistung verbraten - Habe den jetzt mit 2W ein wenig überdimensioniert... Muss ich bei der Z Diode auf irgendetwas besonderes achten, oder kann ich da jede im passenden Spannungsbereich nehmen? Edit: Zu früh gefreut :-( Der "High" Pegel des AVR macht mir da einen Strich durch die Rechnung: Laut Datenblatt wird das HIGH Signal erst ab 0.9*Vcc erkannt - Also bei 5V Vcc: 4,5V -> Das wären auf der Eingangsseite ~16V => schlecht. Jetzt müsste ich doch wieder mit Transistoren arbeiten? Wenn ich ein nicht invertiertes Signal haben möchte sogar mit zwei? NPN -> PNP -> AVR Oder denke ich da wieder zu kompliziert?
Tim M. schrieb: > Edit: Zu früh gefreut :-( > Der "High" Pegel des AVR macht mir da einen Strich durch die Rechnung: > Laut Datenblatt wird das HIGH Signal erst ab 0.9*Vcc erkannt - Also bei > 5V Vcc: 4,5V -> Das wären auf der Eingangsseite ~16V => schlecht. Nein, warum? 10/110*5 = 4.55. Also selbst 5V Eingangsspannung schaffen noch den High-Pegel. Bei 16V muss jedenfalls schon längst die Z-Diode die Spannung begrenzen. Ich nehme mal an, dass die gefürchteten 100V nur ganz kurze Spikes sind. Darauf musst du den Längswiderstand nicht auslegen, selbst einer mit 0.25W wird das locker überstehen.
ZD: Wenn AVR mit 3,3V betrieben wird, dann 3,3V ZD R?: Höher als 10k, z.B. 100k (2x 47k in Reihe). Es gibt Fail Safe sich opfernde Widerstände.
Wenn Du den AVR-Pin sowieso mit einer Z-Diode nach GND abblockst (könntest dort auch 4,7V bei 5V Vcc verwenden um ganz sicher zu gehen), würde ich den 100k-Widerstand nach Masse noch vergrößern. Man müsste mal probieren ab wann relevante Störpegel eingekoppelt werden, aber vermutlich sind 220/330/470k auch ausreichend und das senkt Dir die Einschaltschwelle, ab wann ein Pegel sicher als high erkannt wird. Die 63mA Sicherung würde ich weglassen. Wenn ich mich nicht verrechnet habe, löst die erst bei mehr als 635V am Eingang aus. Sollte das in einem Auto jemals der Fall sein, geht's jedem Steuerteil da drin sowieso richtig dreckig. Oder willst Du direkt an der Zündanlage messen? Edit: Was Du auch machen könntest: Nicht probieren, den High-Pegel zu erkennen, sondern den Low-Pegel messen. Dann reicht eine einfache Schutzdiode für 1000V (UF4007, Kathode am Eingang) in Serie mit 5kOhm am AVR Pin, den Rest macht der AVR mit seinem internen PullUp und den Schutzdioden. Um das zu zerstören (mehr als 20mA durch die untere Schutzdiode des AVR) bräuchte man -100V am Eingang, bei +1000V passiert gar nichts, weil die von der UF4007 Diode gesperrt werden. Geht aber nur, wenn die zu messende Größe ein Signal ziemlich nahe an GND liefert, sonst sinkt die Spannung am AVR-Pin evtl. nicht tief genug ab.
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Tim M. schrieb: > Ich habe jetzt eine neue und einfachere Schaltung entworfen. Was haltet > Ihr von dieser? Nicht begeistert. Zum Einen halten die üblichen Widerstände keine 230V aus, wegen der Spannung und wegen der Verlustleistung. Wenn der Widerstand durchschlägt, wird wahrscheinlich auch die Zenerdiode kaputt gehen und dann ist die Schutzwirkung weg. Der Kondensator ist gut, aber der 10kΩ Widerstand zu hochohmig, um Reflexionen in der Leitung zu unterdrücken. Hochohmige Widerstände sind gut, um den Mikrocontroller zu beschützen. Aber hochohmig abgeschlossene Leitungen sind für Funkstörungen sehr empfänglich. Bedenke das.
1 | 100Ω 47kΩ 47kΩ |
2 | In o---[===]---+----[===]---[===]---> zum µC |
3 | | |
4 | === |
5 | | 100nF |
6 | GND |
Ich wäre hier sogar mutig, einen normalen 63V Kondensator und einen normalen 100Ω Widerstand zu verwenden. Im Zweifelsfall fackeln diese Bauteile an 230V ab, man kann sie leicht erneuern. Wenn sie die 230V schadensfrei vertragen sollen, dann wähle halt entsprechend spannungsfeste Bauteile. Vor dem µC empfehle ich aber zwei 47kΩ in Reihe, damit sie bei 230V sicher nicht durchschlagen. Den µC wollen wir ja beschützen.
> Der "High" Pegel des AVR macht mir da einen Strich durch die Rechnung: > Laut Datenblatt wird das HIGH Signal erst ab 0.9*Vcc erkannt - Also bei Ich finde im DB unter V_IH aber 0.7*Vcc (Vcc<2.4V) bzw. 0.6*Vcc (Vcc>2.4V) für die meisten Pins. Nur RESET hätte 0.9*Vcc.
Stefanus F. schrieb: > Zum Einen halten die üblichen Widerstände keine 230V > aus, wegen der Spannung und wegen der Verlustleistung. Wie kommst du auf 230V? Der TE möchte gerne im Kfz betreiben.
> Eingang Transientenschutz
Wer richtig Angst hat, nimmt Optokoppler.
Matthias S. schrieb: > Wie kommst du auf 230V? Der TE möchte gerne im Kfz betreiben. Oh, da habe ich nicht aufgepasst. Dann reicht natürlich ein einfacher 100kΩ Widerstand anstatt 2×47kΩ.
Jetzt bin ich ehrlich gesagt ein wenig verwirrt... Vielleicht erkläre ich noch einmal was genau das Ziel ist. Mit einem MC möchte ich mehrere Schaltzustände überwachen und entsprechend ein paar Ausgänge schalten - Eigentlich keine große Sache. Zum Einsatz soll ein Attiny84 kommen, der mit 5V versorgt wird (natürlich mit Transientenschutz vor dem Spannungswandler) Der erste Ansatz war die Eingänge mit Spannungsteiler und Clamping Dioden zu sichern. Dies wird aber nicht allzu zuverlässig klappen, da die Schaltung die meiste Zeit weniger als 5mA verbrauchen soll und es da ja zu einer Überspannung führen könnte... Da das erste schon einmal ausscheidet, hab ich mir gedacht die Schaltung so ähnlich wie die Spannungsversorgung zu schützen. Diese ist laut Euren Aussagen völlig übertrieben. Sehe ich jetzt auch so :-) Die Eingänge sollen robust und sicher sein. Diese sollen 100V Peaks unbeschadet überstehen (http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23) >Ich finde im DB unter V_IH aber 0.7*Vcc (Vcc<2.4V) bzw. 0.6*Vcc >(Vcc>2.4V) für die meisten Pins. Nur RESET hätte 0.9*Vcc. Den Wert hatte ich ganz am Anfang auch genommen. Da steht aber so schön dabei: Vcc 1.8-2.4V Eine Zeile weiter unten steht: 0.9*Vcc bei 1.8V-5.5V >Nein, warum? >10/110*5 = 4.55. Also selbst 5V Eingangsspannung schaffen noch den >High-Pegel. Bei 16V muss jedenfalls schon längst die Z-Diode die >Spannung begrenzen. Ja, das war auch mein erster Gedanke... Hab's aber dann simuliert... Die Z Diode fängt natürlich schon viel früher an zu leiten und zieht mir die Spannung durch den Widerstand entsprechend runter.
>>Ich finde im DB unter V_IH aber 0.7*Vcc (Vcc<2.4V) bzw. 0.6*Vcc >>(Vcc>2.4V) für die meisten Pins. Nur RESET hätte 0.9*Vcc. >Den Wert hatte ich ganz am Anfang auch genommen. >Da steht aber so schön dabei: Vcc 1.8-2.4V >Eine Zeile weiter unten steht: 0.9*Vcc bei 1.8V-5.5V Und davor steht "Input High-voltage RESET pin" d.h. zu schaust an der falschen Stelle.
Tim M. schrieb: > Ja, das war auch mein erster Gedanke... > Hab's aber dann simuliert... > Die Z Diode fängt natürlich schon viel früher an zu leiten und zieht mir > die Spannung durch den Widerstand entsprechend runter. Deshalb hab ich 5V1 Z-Diode gewählt. Die Eingänge erkennen HIGH-Pegel ab 0.6*VCC, bei 5V sind das 3V. Soweit geht die Z-Diode nicht nach unten. Aber 5V Eingangsspannung musst du nicht können, außer die Schaltung sollte auch im tiefsten Winter beim Anlassen noch korrekt arbeiten. Dann musst du 3V anpeilen. Normale Steuergeräte müssen runter bis 9V Batteriespannung korrekt arbeiten.
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>Und davor steht "Input High-voltage RESET pin" d.h. zu schaust an der >falschen Stelle. Oh man stimmt... Sorry... Was haltet ihr von dieser Schaltung? Möchte mich nämlich nicht auf die internen Schutzdioden verlassen. Die Frage ist um wie viel mV erhöht sich die 5V Versorgung im Fehlerfall? Der Gesamtstrom der Schaltung soll im Ruhezustand 1 mA nicht überschreiten. Gesamtstrom der fließt wäre ja bei einem Peak: 100V / 100100Ohm = ca. 1mA Welche Erhöhung hätte ich da auf der 5V Seite? Wie kann man das berechnen? Wenn ich jetzt davon 4 Eingänge hätte, wären es 4mA die nach Vcc geleitet werden.
Tim M. schrieb: > Was haltet ihr von dieser Schaltung? Die Dioden sind alle überflüssig. Schlimmer noch, sie Störung die Wirkung von R1 und C1 als Leitungs-Terminierung. > Die Frage ist um wie viel mV erhöht sich die 5V Versorgung im Fehlerfall? Das ist doch vollkommen egal. Hast du jemals einen Mikrochip durch einen 100kΩ Widerstand zerstört (Hochspannung mal ausgenommen)? > Welche Erhöhung hätte ich da auf der 5V Seite? > Wie kann man das berechnen? Gar nicht, da es von zahlreichen unbekannten Faktoren abhängt. Wenn du ängstlich bist, kannst du ja eine 5,6V Zenerdiode an VCC+GND anschliessen, um die Spannungserhöhung zu beschränken.
@Stefan erklär doch bitte mal was du damit meinst mit Terminierung. Dir ist schon klar oder was Klemme 15 bedeutet? Ich denke nicht... sonst wärst du auch nicht auf 230V gekommen. Hör bitte auf den Fragesteller zu verwirren. @Tim Wenn du externe Clamp Dioden verwendest dann müssen diese eine geringere Vorwärtsspannung haben als die internen Clamp dioden. Der C sollte ein flexi cap sein. Die Eingansdiode muss eine ausreichend hohe Sperrspannung haben um negative Störimpulse zu überstehen.
Tim M. schrieb: > Was haltet ihr von dieser Schaltung? Möchte mich nämlich nicht auf die > internen Schutzdioden verlassen. Bis zu einigen mA kannst du dich schon darauf verlassen. > Die Frage ist um wie viel mV erhöht sich die 5V Versorgung im > Fehlerfall? Die erhöht sich soweit, bis sie den Strom deines Eingangs verbraucht. Wenn die Schaltung nominal mehr braucht, dann passiert gar nichts. > Der Gesamtstrom der Schaltung soll im Ruhezustand 1 mA nicht > überschreiten. ... und was ist der minimale Strom? Die Verwendung der Dioden ist dann ok, wenn die Schaltung genügend Strom braucht, so dass mit diesem zusätzlichen Strom nur die normale Stromversorgung quasi entlastet wird. Bei 4 Eingängen mit je 1mA max. und einem Eigenverbrauch ist die Z-Diode notwendig, sonst geht das nicht - mit einer Außnahme: du hast ein synchrones Schaltnetzteil. Das kann auch belasten. Du kannst auch die 5V1-Z-Diode direkt an VCC und GND des Prozessors hängen, dann wirkt sie für alle vier Eingänge. Abgesehen davon: die Peaks liegen nur ganz kurz an, das ist kein Dauerzustand. Der erste R nach der Diode (100R, sollte eher 1k oder 10k sein) zusammen mit dem 100n bügeln schon einiges von dem Peak weg. Nimm doch mal LTSpice und simuliere die Wirkung! Übrigens: wenn das Zündschloss auf AUS ist, dann lebt dein LOW von den Lasten die sonst noch an KL15 hängen - gut, meist ist da genügend da - ich wollte es nur bemerken. Stefanus F. schrieb: > Die Dioden sind alle überflüssig. Schlimmer noch, sie Störung die > Wirkung von R1 und C1 als Leitungs-Terminierung. Die Dioden, als Schottky ausgeführt sind unter den richtigen Randbedingungen schon sinnvoll. Deren Daten kennt man, die der ESD-Dioden im Chip sind eher selten spezifiziert. R1 und C1 wurden nirgemds benannt oder hab ich was übersehen? Auch das mit der Terminierung solltest du näher erläutern.
Ich packe den 100nF Kondi immer direkt an den Pin, so nahe wie möglich, damit er mir Störungen wegfiltert. Bei 100k Vorwiderstand würde ich den aber kleiner wählen (wenn er am Pin liegt), so 10nF oder auch nur 1nF. Ansonsten wird unter Umständen die Verzögerung zu lang bis der kleine Strom den Kondensator auf die Umschaltschwelle geladen hat. Wenn Deine Schaltung auf 5V 1mA verbraucht, kannst Du am Eingang dauerhaft 100V anlegen, die Schaltung versorgt sich dann über die 100k Ohm. Man kann auch eine 5V1 Z-Diode zwischen Vcc und GND hängen, falls irgendein Eingang die Vcc zu weit anheben könnte. Ich verstehe aber nicht, warum Du den internen Dioden nicht vertraust, wenn sogar Atmel denen in einer application note so sehr vertraut, daß sie da 230V direkt über einen Vorwiderstand anlegen. Das haben sicherlich einige Entwickler so nachgebaut, wird in weiß nicht wieviel Millionen Geräten weltweit so funktionieren.
Ben B. schrieb: > Ich packe den 100nF Kondi immer direkt an den Pin, so nahe wie möglich, Dann darft du aber keinen Kurzschluss an Vcc machen, denn dann entläd sich der Kondensator über die Schutzdioden mit unbegrenztem Strom. Wenn diese Fall nicht auftritt bzw. auftreten kann ist das OK.
>Die Dioden, als Schottky ausgeführt sind unter den richtigen >Randbedingungen schon sinnvoll. Deren Daten kennt man, die der >ESD-Dioden im Chip sind eher selten spezifiziert Genau deswegen will ich zur Sicherheit externe Dioden einsetzen. Die 1N5817 haben laut Spezifikation bei 0.1A weniger als 0,25V Vorwärtsspannung. Diesen wären doch OK? >Man kann auch eine 5V1 Z-Diode zwischen Vcc und GND hängen, falls >irgendein Eingang die Vcc zu weit anheben könnte. Ja, aber was passiert mit den Controller wenn auf einmal ein Kurzschluss da ist und die Spannung einbricht? => Absturz? / Reset? Kann man das verhindern?
Normalerweise sollte bei meinen Schaltungen an Vcc kein Kurzschluß nach Masse auftreten, da dies eine interne Spannung ist. Die AlarmSau ist so ziemlich das einzige, wo die 5V nach außen geführt sind, um das Terminal zu versorgen. Allerdings ist dieser Abgang mit 315mA abgesichert, der speisende Wandler liefert wenn's sein muß 3A und hat ziemlich großzügige Puffer-Elkos. Der bläst die Sicherung schneller weg, als die Vcc gefährlich absinken kann, um da evtl. einen Schaden zu erzeugen. Die AVR-Pins sind im Normalfall auch ziemlich robust, die überleben oftmals sogar Kurzschlüsse nach Plus oder Masse ohne sofort Schaden zu nehmen. Ich habe es bislang nur einmal geschafft, einen AVR-Pin wegzuschießen. Das ist durch ein sterbendes HIP4081-Scheißteil an 24V passiert, nicht an 5V. Der Pin lag hinterher dauerhaft auf GND, der Kern des Controllers zeigte sich eher unbeeindruckt und wenn man diesen Pin per Software auf High legen wollte, hatte man eine prima interne Chip-Heizung. Vielleicht was für die nächste Marsmission. Naja, da ich wenige Marsmissionen durchführe und es unglücklicherweise den benötigten OC-Compare-Pin getroffen hatte, flog der Controller trotzdem in die Tonne. Vielleicht liegt er auch noch irgenwo rum, ich hatte den defekten Pin damals abgebogen und weiß nicht, wo der Controller geblieben ist.
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