Klemmschaltung mit niedrigem Leckstrom

[Flunder (flunder)]

Ich habe hier ein Problem mit einem Signal mit einer Impedanz im 
Kiloohmbereich, das es aber trotzdem schafft, mir den Eingang des ADCs 
durch zu hohe Spannung zu zerstören. Einfach eine (Z-)Diode zum klemmen 
zu nehmen geht schief, da deren Leckstrom die Messung schon zu sehr 
verfälscht. Da gibt es doch bestimmt schon lange bessere Schaltungen. 
Ich finde sie allerdings nicht, kann natürlich an den falschen 
Suchbegriffen liegen.

Der ADC wird mit 3,3V (unipolar) versorgt. Die Spannung an seinem 
Eingang muss unter dieser Versorgungsspannung bleiben. Wenn die 
Schaltung auch noch negative Spannungen klemmen würde, wäre das sogar 
noch besser.

Es geht zum Glück auch nicht um eine Serienproduktion mit Kostendruck.

Kann mir jemand ein Schaltbild von so einer Schaltung zeigen oder mir 
sagen, wo ich eines finde (aber nicht nur Google oder Tietze/Schenk 
schreiben) ?

Erläuterungen zu der Schaltung wären auch Klasse.

[H. H. (Gast)]

Der ADC hat keine Schutzdioden am Eingang?

Dann eben externe verwenden.

[Bruno V. (bruno_v)]

H. H. schrieb:
> Der ADC hat keine Schutzdioden am Eingang?

Also eine vom Eingang zur Versorgung des ADCs oder eine andere 3.3V 
Spannung (hier als Senke) und eine Diode von Masse zum Eingang.

Irgendeine Diode mit Shottky und 0,3V.

Je nach Signal musst Du dafür sorgen, dass die Versorgung durch das 
Signal nicht unzulässig angehoben wird. Das ist dann der Fall, wenn das 
Signal z.B. 5V100mA liefert, die Schaltung aber nur 30mA braucht, der 
ADC nur 4V darf und die Versorgung nicht "rückspeist". Meistens aber 
kein Problem.

[H. H. (Gast)]

Bruno V. schrieb:
> Diode mit Shottky

Hergestellt von Scotty...

Allerdings haben kleine Schottkydioden einen Leckstrom von etwa 
0,5µA@3V@25°C.

[Michael B. (laberkopp)]

Flunder schrieb:
> Kann mir jemand ein Schaltbild von so einer Schaltung zeigen

Ublich ist

              +--|>|----+----+----+-- +3.3V
              |         |    |   _|_
Eingang --R1--+---R2---ADC 100nF /_\' ZD3V9
              |         |    |    |
              +--|<|----+----+----+-- GND

Damit liegt die Zenerdiode außerhalb des Signalweges und die 
Schutzdioden können Pikoamperedioden sein, obwohl meist BAV199 verwendet 
wird. Die Widerstände sind entsprechend dem zulässigen Strom vs. 
Eingangsimpedanz zu berechnen.

Für hohe Frequenzen (USB) gibt es so was sogar fertig.

Die durch die Dioden erlaubten 4 bis -0.7V oder gar 4.3 bis -1V führen 
durch Strom durch R2 in die Eingangsschutzdioden des IC. Der muss halt 
durch Wahl von R2 austeichend niedrig sein.

Man könnte die Dioden auch an +0.8V und +2.5V führen damit die auf 
weniger begrenzen, aber dann ist unterhalb von 0.5 und oberhalb von 3V 
mit Fehlereinfluss durch zunehmenden Diodenstrom zu rechnen.

Komplexer:

                 3.3V
                  |
                  8 100uA
                  |
                  +--|>|-- 3.3V
                  |
          +--|<|--+--|>|--+
          |               |
Eingang --+               +--ADC
          |               |
          +--|>|--+--|<|--+
                  |
                  +--|<-- GND
                  |
                  8 100uA
                  |

[Rainer W. (rawi)]

Flunder schrieb:
> Ich habe hier ein Problem mit einem Signal mit einer Impedanz im
> Kiloohmbereich, das es aber trotzdem schafft, mir den Eingang des ADCs
> durch zu hohe Spannung zu zerstören.

Welchen Frequenzbereich hat das Signal, wie sieht das Signal aus, dass 
aus der Quelle komm, weiche Eingangskapazität hat dein ADC, welche 
Auflösung hat der ADC?
Ein paar mehr Fakten wären nicht schlecht.

[Heinrich K. (minrich)]

Eine Handvoll Universaldioden 1N4148. Sind kapazitätsarm und sperren 
sehr gut.
Also Signal über Vorwiderstand an den ADC-Pin, von dort eine in 
Sperrichtung nach Masse, begrenzt auf minus 0,6V.
Vom selben Pin mehrere in Reihe geschaltete in Flussrichtung, ebenfalls 
nach Masse. Also eine sperrstromarme Ersatz-Zenerdiode.
Mit dem Quellwiderstand im Kiloohmbereich plus Vorwiderstand in der 
Signalleitung kommen die Dioden nie über 0,5 bis 0,6 Volt pro Stück.
Weder wird die Betriebsspannung angehoben, noch fliesst von ihr ein 
störender AC-Anteil in den ADC-Eingang.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Flunder schrieb:
> Ich habe hier ein Problem mit einem Signal mit einer Impedanz im
> Kiloohmbereich, das es aber trotzdem schafft, mir den Eingang des ADCs
> durch zu hohe Spannung zu zerstören.

Das glaube ich nicht, Dave. Nenne Roß und Reiter. Welcher ADC, was für 
eine Quelle?

> Der ADC wird mit 3,3V (unipolar) versorgt. Die Spannung an seinem
> Eingang muss unter dieser Versorgungsspannung bleiben. Wenn die
> Schaltung auch noch negative Spannungen klemmen würde, wäre das sogar
> noch besser.

Praktisch jeder heutige ADC hat am Eingang Klemmdioden nach GND und Vcc. 
Es reicht also ein simpler Serienwiderstand, der den Strom durch diese 
Klemmdioden begrenzt. Andererseits sollte "eine Impedanz im 
Kiloohmbereich" das schon von sich aus tun. Deswegen mein oben 
geäußerter Unglaube. Gegen Überspannungsimpulse hilft gegebenfalls ein 
Kerko gegen GND. Kommt aber auf das Signal an, ob das geht.

[Andrew T. (marsufant)]

Flunder schrieb:
> Ich habe hier ein Problem mit einem Signal mit einer Impedanz im
> Kiloohmbereich, das es aber trotzdem schafft, mir den Eingang des ADCs
> durch zu hohe Spannung zu zerstören. Einfach eine (Z-)Diode zum klemmen
> zu nehmen geht schief, da deren Leckstrom die Messung schon zu sehr
> verfälscht.

So ziemlich jeder modere ADC hat klemmdioden integriert, und verträgt 
1mA Strom bei Überspannung.
Will sagen mit Beispiel: Versorgung 5V, extern angelegte Spannung 25V 
-->
20 kohm Vorwiderstand.  Mehr Ohm soweit möglich -- wenn der ADC Typ hier 
genannt wird, kann man weiterhelfen.

Wenn Du mit schnellen Transienten rechnen musst weil Dein (nur Dir 
bekannter hier nicht genannter Messaufbau) sowas hat: Zusätzlich 
22nF..10nF direkt  an den ADC Eingang.

[Andrew T. (marsufant)]

Heinrich K. schrieb:
> Eine Handvoll Universaldioden 1N4148. Sind kapazitätsarm und sperren
> sehr gut.

1N4148: zu hoher Leckstrom.

BAV199 seit mehr als 20 Jahren die bessere Wahl

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

H. H. schrieb:
> Allerdings haben kleine Schottkydioden einen Leckstrom von etwa
> 0,5µA@3V@25°C.
Das passende Stichwort lautet "low leakage" Dioden. Und da findet sich 
dann schnell die erwähnte BAV199. Urigerweise "verkauft" die sich in der 
Übersicht dort relativ schlecht:
- 
https://www.nexperia.com/products/diodes/switching-diodes/low-leakage-current-switching-diodes#/p=1,s=0,f=,c=,rpp=,fs=0,sc=,so=,es=

Da steht dann tatsächlich 5nA Sperrstrom, aber wenn man das DB aufmacht, 
wird sie schlagartig 100..1000x besser.

Diese Dioden sind auch für die Versorgung von RTC gut, weil die dann nur 
die RTC versorgen und nicht über ein paar µA in die dranhängende 
Schaltung die Batterie entladen.

[Andrew T. (marsufant)]

Lothar M. schrieb:
> Da steht dann tatsächlich 5nA Sperrstrom,

normal bei Vr= 75V. Beachte: 25 C !! Bei hoher Tempeatur wird'S wie bei 
allen Halbleitern mehr Sperrstrom.

Bei 5V und und 110C PCB Temperatur ist sie als nA Diode immer noch sehr 
gut.

[Dietrich L. (dietrichl)]

Ich habe mal eine 8-Kanal Analogeingabe mit Differeneingängen für 
Industrieanwendung entwickelt. Da war einiges an Schutzmaßnahmen drin. 
Wichtig war auch, dass die Genauigkeit durch die Schutzmaßnahmen nicht 
zu sehr leidet.
Siehe Anhang.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Andrew T. schrieb:
> Lothar M. schrieb:
>> Da steht dann tatsächlich 5nA Sperrstrom
> normal bei Vr= 75V.
Wie gesagt: sie wird da schlecht verkauft, denn im Datenblatt steht 
"max. 80nA bei 75V und 150°C"...

[Mark S. (voltwide)]

Für Audio-Anwendungen findet sich an dieser Stelle ein aus Vref 
versorgter Pufferverstärker (op-amp mit rail-rail i/o). Damit ist eine 
niederohmige Ansteuerung gewährleistet und das Problem verlagert sich zu 
den OP-Eingängen.