Eingangsbeschaltung für Installationstaster und Reedkontakte (ESD-Schutzbeschaltung für Komparator)

[Oliver W. (oli2)]

Hallo!

Ich möchte mal eure Meinung zu dieser Eingangsbeschaltung für normale 
Installationstaster, Reedkontakte etc. hören. Die Schaltung ist für eine 
Betriebspannung von 9V bis 30V ausgelegt. Über den 1k Widerstand am 
Eingang wird der 100nF Kondensator geladen. Dieser sorgt dafür, dass für 
einen Installationstaster noch ein ausreichend hoher Strom fließt (24mA 
@ 24V), aber auch nicht zuviel für einen Reedkontakt (50mA). Der 100nF 
und die Z-Diode sollen gegen ESD und Überspannung schützen.

Durch den aus 82k und 27k (1/4 Spannungsteiler) gebildeten 
Entladewiderstand reicht die Zeit, um 10ms zu überbrücken, bis der 
Komparator wieder umgeschaltet. Hierdruch wird der mechanische Kontakt 
entprellt.

Die Komparatorschaltung ist zusammen mit dem 1/4 Spannungsteiler so 
berechnet, dass bei das bei 1/3 bzw. 2/3 der Versorgungsspannung 
umgeschaltet wird. Die LED zeigt an, ob ein Taster (Schließer) gedrückt 
ist. Über die 47k geht es dann direkt auf den Pin des AVR 
Mikrocontrollers. Dies sollte, soweit ich es verstanden habe so möglich 
sein, solange man unter 1mA bleibt, da dieser ESD Dioden nach und VCC 
und GND an jedem PIN hat.

Den 1k Widerstand und den 100nF Kondensator möchte ich als 0805 oder 
1206 ausführen, die restlichen Widerstände in 0603 oder 0402.

Meine Fragen:
Sind die 100nF und die Z-Diode ausreichend als ESD-Schutz?
Reicht ein X7R 0805 50V 100nF Kondensator um ESD abzufangen? Bringt die 
Z-Diode in diesem Fall etwas oder ist sie zu langsam? Muss ich bei den 
Widerständen und Kondensatoten am Eingang auf etwas spezielles achten? 
Ich habe gelesen, dass es pulse proof resistors gibt, wäre bei dem 1k 
soetwas angebracht? Soll ich besser auf 1206 Bauform setzen?

Der LM339/Lm2901 ist im Datenblatt so beschrieben, dass am Eingang 
minimal eine Spannung von -300mV anliegen darf. Dagegen soll die Z-Diode 
auch schützen.

Dioden:
https://www.reichelt.de/zenerdiode-36-v-0-5-w-sod80-smd-zf-36-p18947.html
https://www.reichelt.de/zener-diode-36-v-0-5-w-5-sod-80-minimelf--tzmc36-p280050.html 
(zu langsam?)
https://www.reichelt.de/tvs-diode-unidirektional-36-v-400-w-do-214ac-sma-p4smaj36a-p272912.html 
(zu groß!)

Kondensatoren:
https://www.reichelt.de/vielschicht-kerko-100nf-50v-125-c-kem-x7r0805-100n-p207073.html
https://www.reichelt.de/vielschicht-kerko-1206-100-nf-10-x7r-100-v-125-c-kem-x7r1206a100n-p207151.html

Orientiert habe ich mich dabei an folgenden Threads:
Beitrag "Störungssicher Taster über lange Leitung an 74 165 abfragen"
http://www.kreuzers.home.dic.at/elektronik/images/24V_BWM_Berker_Schaltplan.png
Beitrag "ESD-Schutz für µC-Schaltung"
https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/Atmel-2508-Zero-Cross-Detector_ApplicationNote_AVR182.pdf
https://www.mikrocontroller.net/attachment/428963/DC__AC_and_Pulse_Load__KOA___MLCC_reliability___overload_.pdf

Schöne Grüße
Oli

[Oliver W. (oli2)]

War es zu viel Text? Hier nochmal kurz und bündig:
Wenn der ESD-Impuls von dem Kondensator C1 abgefangen wird, muss er ja 
durch den Widerstand R1. Würde dieser dabei beschädigt werden, wenn es 
ein normaler 0603-1206 SMD-Widerstand ist? Reicht ein 0603-1206 100nF 
50V Kondensator hier aus um den ESD-Impuls abzufangen? Kann ich das mit 
einem Piezo-Feuerzeug ausreichend testen?

Danke schonmal für eure Antworten
Oli

[Falk B. (falk)]

Oliver W. schrieb:
> Hallo!
>
> Ich möchte mal eure Meinung zu dieser Eingangsbeschaltung für normale
> Installationstaster, Reedkontakte etc. hören.

Die TVS-Diode gehört direkt an den Stecker, möglichst nah.
Der Rest ist total akademisch und kompliziert? Wozu?

Außerdem will man nicht direkt 24V für Taster nach draußen geben. Im 
Fehlerfall (Kurzschluß) raucht das ordentliche. Besser so.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Entprellung#Einfacher_Taster

Der Pull Up in deiner Schaltung sorgt für den Kurzschlußschutz. Damit 
kann man den Mindeststrom der Taster einstellen.

> einen Installationstaster noch ein ausreichend hoher Strom fließt (24mA
> @ 24V),

Warum SOOO viel? Taster sind keine Hochstromkontakte. Ich würde meinen, 
5-10mA sind mehr als ausreichend.

> Durch den aus 82k und 27k (1/4 Spannungsteiler) gebildeten
> Entladewiderstand reicht die Zeit, um 10ms zu überbrücken, bis der
> Komparator wieder umgeschaltet. Hierdruch wird der mechanische Kontakt
> entprellt.

Das macht aber nicht der Spannungsteiler, sondern der RC-Tiefpass.

> Die Komparatorschaltung ist zusammen mit dem 1/4 Spannungsteiler so
> berechnet, dass bei das bei 1/3 bzw. 2/3 der Versorgungsspannung
> umgeschaltet wird.

Naja.

> Die LED zeigt an, ob ein Taster (Schließer) gedrückt
> ist.

Doppelt gemoppelt. Es reicht ein Pull-Up und die LED dazu in Reihe.

> Über die 47k geht es dann direkt auf den Pin des AVR
> Mikrocontrollers.

Und warum denn ein OPV mit 24V? Alles Käse. Ein einfacher 
Spannungsteiler reich, der direkt an den AVR geht, der hat schon 
Schmitt-Trigger Eingänge.

> Dies sollte, soweit ich es verstanden habe so möglich
> sein, solange man unter 1mA bleibt, da dieser ESD Dioden nach und VCC
> und GND an jedem PIN hat.

Alles viel zu aufwändig. Siehe Anhang.

> Sind die 100nF und die Z-Diode ausreichend als ESD-Schutz?
> Reicht ein X7R 0805 50V 100nF Kondensator um ESD abzufangen?

Nö, das muss die TVS-Diode machen.

> Bringt die
> Z-Diode in diesem Fall etwas

Ja.

> oder ist sie zu langsam?

Nein.

> Ich habe gelesen, dass es pulse proof resistors gibt, wäre bei dem 1k
> soetwas angebracht?

Nicht wenn man es richtig macht.


 Soll ich besser auf 1206 Bauform setzen?
>
> Der LM339/Lm2901 ist im Datenblatt so beschrieben, dass am Eingang
> minimal eine Spannung von -300mV anliegen darf. Dagegen soll die Z-Diode
> auch schützen.

Alles Quark.

Siehe Anhang. Man braucht keine 24V für die Taster, 5V reichen.

So wie hier.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Entprellung#Einfacher_Taster

R1 = 470 Ohm
R2 = 10k, 0603
C1 = 100nF, 0603

Was noch fehlt ist eine 12V TVS-Diode direkt am Eingang, SMAJ12A oder 
ähnlich. Den Inverter im Bild musst du dir wegdenken, man kann den AVR 
direkt anschließen.

Wenn die Hardwareentprellung nicht reicht, dann halt noch per Software, 
das ist einfach.

[Oliver W. (oli2)]

Danke für deine Antwort Falk!

Falk B. schrieb:
> Die TVS-Diode gehört direkt an den Stecker, möglichst nah.
> Der Rest ist total akademisch und kompliziert? Wozu?

Würde dafür die 36V Z-Diode im Minimelf Gehäuse reichen oder sollte ich 
besser sowas nehmen?
https://www.reichelt.de/tvs-diode-unidirektional-36-v-400-w-do-214ac-sma-p4smaj36a-p272912.html

> Außerdem will man nicht direkt 24V für Taster nach draußen geben. Im
> Fehlerfall (Kurzschluß) raucht das ordentliche. Besser so.
>
> https://www.mikrocontroller.net/articles/Entprellung#Einfacher_Taster

Die 12V bzw. 24V sind die Systemspannung, die die Platine versorgt. Die 
5V des Mikrocontrollers wollte ich nicht aus der Platine herausführen, 
da ich Angst davor habe, das auf der Platine etwas zerschossen wird, 
wenn ein 24V Draht versehentlich an einen 5V Eingang kommt, bzw. die 
kompletten 5V auf 24 zieht.

> Warum SOOO viel? Taster sind keine Hochstromkontakte. Ich würde meinen,
> 5-10mA sind mehr als ausreichend.

Da die Leitungen auch schon mal etwas länger sein können (ca. 10m) und 
evtl. auch mal parallel zu 230V liegen können, wollte ich vermeiden, 
dass die Schaltung zu empfindlich wird.

Meine Schaltung hatte ich hieran angelehnt:
Beitrag "Re: Störungssicher Taster über lange Leitung an 74 165 abfragen"
Beitrag "Re: Störungssicher Taster über lange Leitung an 74 165 abfragen"

>> Die Komparatorschaltung ist zusammen mit dem 1/4 Spannungsteiler so
>> berechnet, dass bei das bei 1/3 bzw. 2/3 der Versorgungsspannung
>> umgeschaltet wird.
>
> Naja.

Vielleicht ist es wirklich zu kompliziert gedacht. Wie gesagt, hatte 
mich hieran orientiert: 
Beitrag "Re: Störungssicher Taster über lange Leitung an 74 165 abfragen" Ein Optokoppler 
wäre auch nicht wirklich aufwändiger.

> Und warum denn ein OPV mit 24V? Alles Käse. Ein einfacher
> Spannungsteiler reich, der direkt an den AVR geht, der hat schon
> Schmitt-Trigger Eingänge.

Ich wollte die Möglichkeit haben, die Schaltung sowohl mit 12V als auch 
mit 24V zu betreiben. Die Hysterese sollte dementsprechend mitwandern.

>> Dies sollte, soweit ich es verstanden habe so möglich
>> sein, solange man unter 1mA bleibt, da dieser ESD Dioden nach und VCC
>> und GND an jedem PIN hat.
>
> Alles viel zu aufwändig. Siehe Anhang.

Vielleicht nehme ich wirlich einfach die 5V vom Mikrocontroller und 
vermeide durch eine Diode o. Ä., dass sie im Fehlerfall auf 24V 
hochgezogen werden. Muss ich mal die Nacht darüber schlafen.

Gute Nacht!
Oli

[Falk B. (falk)]

Oliver W. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Die TVS-Diode gehört direkt an den Stecker, möglichst nah.
>> Der Rest ist total akademisch und kompliziert? Wozu?
>
> Würde dafür die 36V Z-Diode im Minimelf Gehäuse reichen oder sollte ich
> besser sowas nehmen?
> 
https://www.reichelt.de/tvs-diode-unidirektional-36-v-400-w-do-214ac-sma-p4smaj36a-p272912.html

Die TSV hat deutlich mehr Pulsleistung. Aber wenn man nicht den 
härtesten ESD-Test macht, kann auch eine Z-Diode reichen.

> da ich Angst davor habe, das auf der Platine etwas zerschossen wird,
> wenn ein 24V Draht versehentlich an einen 5V Eingang kommt, bzw. die
> kompletten 5V auf 24 zieht.

Auch dagegen hilft die TVS Diode am Eingang.

[Oliver W. (oli2)]

Hi!
Ich habe noch etwas weiter gelesen. Was ich mich noch Frage:

Oft wird empfohlen als ESD-Schutz einen 10-20nF Kondensator an den 
Eingang zu setzen. Andere argumentieren dann wiederum, dass dieser ohne 
Strombegrenzungs-Reihen-Widerstand einen hohen Strom im Taster 
verursacht und diesen zerstören würde. Jetzt frage ich mich, was so ein 
Taster denn normalerweise aushält:

Q=C*U
ESD-Model: 150pF*8kV=1,2µAs
1,2µAs/10nF=120v ->100-200V Typ
1,2µAs/22nF=54v -> 50-100v Typ

10nF*5V=50nAs
22nF*5V=110nAs

10nF*24V=240nAs
22nF*24V=528nAs

Sind Ladungen in dieser Größenordung für einen Reedkontakt o. Ä. 
wirklich ein Problem? In den Datenblättern der Reedkontakte finde ich 
dazu nicht wirklich brauchbare Informationen. Die scheinen noch nichtmal 
zu wissen, ob er 50mA oder 500mA aushält:
https://www.voelkner.de/products/101687/ABUS-FU7350W-Magnetkontakt.html
https://asset.re-in.de/add/160267/c1/-/gl/000750754ML02/AN_ABUS-FU7350W-Magnetkontakt.pdf
https://www.abus.com/de/abusproductsheet.pdf/189870/ger-DE

Mich würde es freuen, wenn jemand seine Erfahrungswerte zu den 
Kontaktmatierialien von Reed-Kontakten und Installationstastern teilen 
könnte.

>> da ich Angst davor habe, das auf der Platine etwas zerschossen wird,
>> wenn ein 24V Draht versehentlich an einen 5V Eingang kommt, bzw. die
>> kompletten 5V auf 24 zieht.
>
> Auch dagegen hilft die TVS Diode am Eingang.

Ich bezweifele, dass diese den Strom schafft, damit die vorgeschaltete 
Sicherung auslöst. Ein Strombegrenzungswiderstand wäre mir schon ganz 
lieb, jedoch muss ich diesen vermutlich auch vor ESD schützen:
https://www.youtube.com/watch?v=MoMJwRi7ZIU

Schöne Grüße
Oli