Hallo, ich habe ein Gerät, welches recht schnelle und variable Signale liefert. Die kürzeste Pulsdauer kann eine Mikrosekunde betragen. Das Signal selbst besitzt variable Spannungen (High Pegel), je nach Einstellung, zwischen 1 V und 50 V. Der Low Pegel ist immer 0. Die Stromstärke des Signals liegt irgendwo zwischen wenigen mA und 20 A. Ich würde sehr gerne dieses Signal, möglichst mit wenig oder stets definierter Strombelastung abgreifen und zu 3,3 V konvertieren, um die steigenden Flanken zu zählen. Zuerst dachte ich an einen Optokoppler, doch ich habe nichts entdeckt, was schnell genug ist. Habt ihr vielleicht eine Idee? Vielen Dank!
Martin schrieb: > Zuerst dachte ich an einen Optokoppler, doch ich habe nichts entdeckt, > was schnell genug ist. 6N137 oder Komparator.
Spannungsteiler mit Zenerdiode:
1 | Zener-Diode |
2 | 22kΩ 3,6V |
3 | in o---[===]---+----|<|----| GND |
4 | | |
5 | | |
6 | o |
7 | Zum Mikrocontroller |
8 | oder Zähler |
1V reicht aber wohl nicht als High Pegel aus. Die meisten IC's benötigen bei 3,3V Versorgungsspannung mindestens 2 Volt. Wenn die 1V wichtig sind, dann brauchst du einen Transistor:
1 | 2,2kΩ |
2 | 3,3V o---[===]-----+------o Zum Mikrocontroller oder Zähler |
3 | | |
4 | | |
5 | 22kΩ |/ |
6 | in o---[===]-----| BC547B |
7 | |\> |
8 | | |
9 | | |
10 | GND |
Beachte, dass der Transistor die Logik-Pegel invertiert.
Vielen Dank für die Hilfe! :-) Ich denke, ich werde die Transistorlösung umsetzen. Die Invertierung ist kein Problem.
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Pegelwandler_Begrenzer.png
2,6 KB
Martin schrieb: > ich habe ein Gerät, welches recht schnelle und variable Signale liefert. Was denn für eins? > Die kürzeste Pulsdauer kann eine Mikrosekunde betragen. Das Signal > selbst besitzt variable Spannungen (High Pegel), je nach Einstellung, > zwischen 1 V und 50 V. Na dann stell doch einen konstanten Pegel mit 3,3V ein und alles ist gut. Wozu soll dieser große Bereich gut sein? > Der Low Pegel ist immer 0. Die Stromstärke des > Signals liegt irgendwo zwischen wenigen mA und 20 A. Also was Ernstes. Klingt nach Pulsgenerator oder so. > Ich würde sehr gerne dieses Signal, möglichst mit wenig oder stets > definierter Strombelastung abgreifen und zu 3,3 V konvertieren, um die > steigenden Flanken zu zählen. Ein begrenzender VErstärker (limiting amplifier), der schnell aus der Sättigung rauskommt. > Zuerst dachte ich an einen Optokoppler, doch ich habe nichts entdeckt, > was schnell genug ist. Falsch gesucht. Aber der allein löst das Problem des arg variablen Pegels nicht. > Habt ihr vielleicht eine Idee? Im einfachsten Fall ein Komparator ala LM393, welcher von einer Klemmschaltung geschützt wird. Siehe Anhang. D1 begrenzt die Eingangsspannung auf ~4V, R4 den Eingangsstrom auf ~25mA. D2 ist pro forma vorhanden.
Martin schrieb: > Vielen Dank für die Hilfe! :-) > > Ich denke, ich werde die Transistorlösung umsetzen. Naja, sie wird leidlich funktionieren, aber je nach Spannungshöhe deutlich unterschiedliche Verzögerungszeiten haben. Wieviel? Keine Ahnung, ich tippe mal auf 100-500ns, ggf mehr. Wenn es gut werden soll, braucht man was Besseres. Siehe oben.
Falk B. schrieb: > Im einfachsten Fall ein Komparator ala LM393 Ja, die Lösung mit dem Komparator halte ich auch für eine gute Idee, weil man damit sauber die Schaltschwellen einstellen kann, Hysterese hinzufügen etc. >, welcher von einer > Klemmschaltung geschützt wird. Siehe Anhang. D1 begrenzt die > Eingangsspannung auf ~4V Vermutlich wird das so schon irgendwie funktionieren, für eine Bastelschaltung mag es das so tun. Aber saubere Ingenieursarbeit sieht anders aus: - Common-Mode-Input-Bereich des LM393 verletzt, der ist V+ -1,5V, also hier 1,8V. Wenn der Eingang darüber ist, sind Daten und Funktion nicht mehr garantiert. - max. Reaktionszeit ist 1,3µs, der TO hat aber als Minimum-Pulszeit 1µs angegeben Ich würde daher z.B. einen LMV311 vorschlagen und den mit 5V versorgen. Für D1 und D2 Schottky-Dioden verwenden, z.B. eine BAT54S-Doppeldiode. D1 geht dabei weiterhin auf 3,3V, nicht auf 5V. Auch der Pullup R1 geht auf 3,3V, nicht auf 5V. Damit hast bekommst Du weiterhin 3,3V am Ausgang, auch wenn der Komparator 5V verwendet.
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Danke Falk und Gerd für diesen super Input! @Falk: Ja, es ist ein tatsächlich ein Pulsgenerator, bei dem Pulszeiten und Strom vorgegeben werden :-) Ich habe die Schaltung eben so, wie von Falk gezeichnet und mit Gerds Anpassungen simuliert. Als Dioden haben ich SB120 genutzt, da ich die noch habe. Spricht da aus eurer Sicht irgendetwas dagegen? Die Lösung gefällt mir sehr gut! Ich muss allerdings gestehen, dass ich mich erstmal in Ruhe mit der Schaltung auseinandersetzen muss, da mir viel Basiswissen fehlt. Was ich nicht verstehe, ist der große Spannungsabfall nach R4 und ebenso, warum das funktioniert, dass man die ca. 4V über die Diode D1 mit den 3,3V verbindet und dort trotzdem 3,3V anliegen.
Martin schrieb: > Als Dioden haben ich SB120 genutzt, da ich die noch habe. > Spricht da aus eurer Sicht irgendetwas dagegen? Kein Problem, die passen. > Was ich nicht verstehe, ist der große Spannungsabfall nach R4 Naja, Du hast max. 50V am Eingang. Die Common-Mode-Input-Voltage des Komparators ist aber nach oben hin klar begrenzt. Beim LMV311 mit 5V-Versorgung sind es 4,2V. Höher sollte der Eingang des Komparators nicht gehen. Also verheizt man die Spannung in R4 und leitet den Rest in die 3,3V-Versorgung. Am Eingang des Komparators bleiben damit dann 3,3V plus die Vorwärtsspannung der Diode stehen. Bei einer Schottky-Diode sind das so etwas 0,3 bis 0,4V. Also max. 3,7V und damit ok. > und > ebenso, warum das funktioniert, dass man die ca. 4V über die Diode D1 > mit den 3,3V verbindet und dort trotzdem 3,3V anliegen. Die 3,3V kommen ja normalerweise von einem Spannungs_regler_. Der versucht also aktiv die 3,3V zu halten, auch wenn da etwas Strom über die Diode eingespeist wird. Bedingung ist dafür nur, daß Du weniger Strom einspeist, als die mit 3,3V versorgten Bauteile insgesamt verbrauchen.
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Danke für die Erklärung! Wieso die 50V an R4 so stark abfallen, ist mir noch immer nicht ganz klar. Wenn ich an Spannungsreduktion denke, dann habe ich einen Spannungsteiler im Kopf. Dafür benötigt man ja zwei Widerstände. Das es hier mit nur einem funktioniert, leuchtet mir irgendwie noch nicht ein.
Nachtrag: Kann es sein, dass die beiden Eingänge am Komparator oben im Schaltplan vertauscht sind?
Martin schrieb: > Wenn ich an Spannungsreduktion denke, dann habe ich einen > Spannungsteiler im Kopf. Dafür benötigt man ja zwei Widerstände. > Das es hier mit nur einem funktioniert, leuchtet mir irgendwie noch > nicht ein. Stell Dir die Diode wie einen niederohmigen Widerstand vor, über dem z.B. 0,4V abfallen. Stimmt zwar nicht ganz in Realität, da über der Diode die Vorwärtsspannung abfällt, und die sich ganz anders verhält als ein Widerstand, aber um das Prinzip zu verstehen hilft das denke ich.
Martin schrieb: > Zuerst dachte ich an einen Optokoppler, doch ich habe nichts entdeckt, > was schnell genug ist. Dann hast du falsch gesucht. https://www.digikey.de/products/de/isolators/optoisolators-logic-output/902?k=&pkeyword=&sv=0&pv1989=0&pv448=172&pv448=139&pv448=283&pv448=262&pv448=259&pv448=136&pv448=253&pv448=245&pv448=258&pv448=137&pv448=261&pv448=190&pv448=238&pv448=129&sf=1&FV=ffe00386&quantity=&ColumnSort=0&page=1&stock=1&pageSize=25
Martin schrieb: > Danke für die Erklärung! > > Wieso die 50V an R4 so stark abfallen, ist mir noch immer nicht ganz > klar. > > Wenn ich an Spannungsreduktion denke, dann habe ich einen > Spannungsteiler im Kopf. Ja. Aber hier ist es ein nichtlinearer Spannungsteiler. > Dafür benötigt man ja zwei Widerstände. > Das es hier mit nur einem funktioniert, leuchtet mir irgendwie noch > nicht ein. Wir nehmen an, daß die 3,3V Versorgung konstant ist. D1 ist mit der Kathode dort angeschlossen. Wenn mann die Eingangsspannung IN auf ca. 3,3V erhöht, fließt noch kein Strom durch R4, denn die Diode sieht keine Vorwärtsspannung (Anode auf 3,V vom Eingang, Kathode auf 3,3V der Versorgung), der Eingangsstrom des Komparators ist minimal (50nA oder so). Wenn der Eingang nun auf 10V geht, sieht die Diode plötzlich Vorwärtsspannung und beginnt zu leiten. Dann fließt Strom durch R4. Die Spannung an der Anode von D1 liegt dann bei ca. 3,3V+0,7V~4V und das praktisch unabhängig vom Strom. D.h. die Spannung klemmt fest. Man kann sich das auch wie eine Z-Diode vorstellen, die Wirkung ist nahezu gleich. Allerdings hat die Version mit Diode + VCC den Vorteil, bei kleinen Spannungen < ~7V eien deutlich bessere, steilere Kennlinie zu haben als eine Z-Diode. Außerdem ist sie deutlich kapazitätsärmer als eine Z-Diode, damit wird die Schaltung deutlich schneller. Bei dem Trick muss man beachten, daß der eingespeiste Strom über R4 immer kleiner bleiben muss als der Mindeststromverbrauch der Schaltung. Denn sonst steigt die Versorgungsspannung! Denn 99,9% aller Spannungsregler und Netzteile können keinen Strom verbrauchen, nur liefern (Einquadrantenbetrieb). Wenn das nicht so einfach machbar ist, schaltet man noch eine Z-Diode direkt an die Versorgungsspannung, die schluckt dann den überschüssigen Strom.
Martin schrieb: > Kann es sein, dass die beiden Eingänge am Komparator oben im Schaltplan > vertauscht sind? Nö, der Komparator arbeitet invertierend. Das hat hier den Vorteil, daß man den Eingang sehr hochohmig machen kann und die Rückkopplung, die immer am + Eingang hängt, nichts mit dem nichtlinearen Spannungsteiler am Eingang zu tun hat.
Vielen Dank für die prima Erklärungen! Ich werd das so umsetzen :-)
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Gerd E. schrieb: > Bastelschaltung mag es das so tun. Aber saubere Ingenieursarbeit sieht > anders aus: > - Common-Mode-Input-Bereich des LM393 verletzt, der ist V+ -1,5V, also > hier 1,8V. Wenn der Eingang darüber ist, sind Daten und Funktion nicht > mehr garantiert. Stimmt. > - max. Reaktionszeit ist 1,3µs, der TO hat aber als Minimum-Pulszeit 1µs > angegeben So schlimm ist es nicht, wir können schon von 100mV Overdrive ausgegen, dann kommt man auf 300ns. > Ich würde daher z.B. einen LMV311 vorschlagen Das ist ein OPV, kein Komparator. Würde ich nicht machen. Oder meinst du den LMV331? Zahlendreher? Das ist aber nur die 1-Kanal 5V Vairante des Urahns, und die ist auch nicht schneller oder besser, hat nur ein kleineres Gehäuse (SOT23-5) LM311 ist etwas schneller, den kann man auch nehmen. Allerdings braucht der dann eine negative Versorgungsspannung. Lohnt sich nur bedingt. Siehe Anhang, so sollte es mit dem guten, alten LM393 funktionieren. Und man braucht nur 3,3V!
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Falk B. schrieb: >> - max. Reaktionszeit ist 1,3µs, der TO hat aber als Minimum-Pulszeit 1µs >> angegeben > > So schlimm ist es nicht, wir können schon von 100mV Overdrive ausgegen, > dann kommt man auf 300ns. ok. >> Ich würde daher z.B. einen LMV311 vorschlagen > > Das ist ein OPV, kein Komparator. Würde ich nicht machen. > Oder meinst du den LMV331? Zahlendreher? Du hast Recht, Zahlendreher. LMV331 meinte ich. > Das ist aber nur die 1-Kanal 5V > Vairante des Urahns, und die ist auch nicht schneller oder besser, hat > nur ein kleineres Gehäuse (SOT23-5) > > LM311 ist etwas schneller, den kann man auch nehmen. Allerdings braucht > der dann eine negative Versorgungsspannung. Lohnt sich nur bedingt. genau deswegen hatte ich ja die 5V-Variante LMV331 vorgeschlagen, die braucht keine negative Spannung. > Siehe Anhang, so sollte es mit dem guten, alten LM393 funktionieren. Und > man braucht nur 3,3V! Nett. So muss man sich auch keine Sorgen mehr um den Verbrauch des in die 3,3V-Versorgung injizierten Stroms machen, da der jetzt über D3 nach GND fließt. An den TO: Bei dieser Variante müssen es für D1 und D3 Si-Dioden wie die 1N4148 sein, es dürfen dort keine Schottkys verwendet werden, sonst bleibt am Komparatoreingang zu wenig Spannung übrig. Nur D2 könnte man für bessere Schutzwirkung durch Schottky ersetzen.
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