Messergebnis und A/D-Port-Schutz

[IRQ]

Hi, ich bestimme mittels zwei OPVs und einem A/D-Port am AtMega8 die Spannung an einem Widerstand. Zur Sicherheit möchte ich jedoch dafür sorgen, dass nicht zu viel Spannung am A/D-Port anliegt und mir dabei der Controller beschädigt wird.

Ich hab mich ein wenig umgeschaut und bin auf die Lösung mit der Z-Diode gestoßen:

(siehe Anhang)

Das wäre zumindest allgemein die Theorie. Hätte aber noch ein paar Unklarheiten:

1) Wenn ich maximal 5V am Port will (Vref=Vcc), welche Z-Diode nehme ich dann? Bei Rechelt gibt es eine mit Vz=4,7V, das wäre ok, da verliere ich nicht allzu viel von meinem Messbereich. Evtl könnte ich die Diode auch mit einem zusätzlichen R in Reihe schalten (Spannungsteiler), damit ich genau auf die 5V komme. Allerdings hab ich mal in das Datenblatt geschaut und gesehen, dass die relativ große Toleranzen haben...

Was passiert eigentlich, wenn 5,5 oder 6V anliegen? Geht der µC gleich kaputt, oder liefert er falsche Werte?

2) Wird durch den Widerstand hinter dem OPV nicht das Messergebnis beeinflusst? Oder ist davor und danach das gleiche Potential?

3) Wie muss ich den Widerstand dimensionieren? So wie ich das verstanden hab, darf er weder zu groß, noch zu klein sein (einmal triffts die Diode wegen zu großem Strom und einmal den Port, weil Vz nicht erreicht ist und die Diode nicht erdet...). Habt ihr Erfahrungswerte, oder gibts da eine Formel?

Ich weiß, ich schreibe immer sehr ausführlich, daher vielen Dank für's Durchlesen!

[magnetix48]

Hallo IRQ,

die Lösung mit der Zehnerdiode ist wohl das einfachste.
Ein kleiner Trick, der mir gerade eingefallen ist:
Wenn du R13 in die Rückführung mit einbeziehst, also erst nach R13 zurück, dann bleibt das Signal bis zur Zehnerspannung unabhängig von der Last ausgeregelt, die Spannung an Pin 7 steigt. aber der Strom fließt über die Zehnerdiode ab. R13 kannst du dann so auslegen, dass z.B. 2mA bei maximaler Ausgangsspannung des OP durch dir Z-Diode fließen.

Gruß
Detlef

[dwod]

Hi,

Widerstände, Kondensatoren, Zenerdioden und sonstige bauteile werden in sogenannten Reihen hergestellt.
E10 bedeutet es gibt 10Werte pro Dekade. Dsa bedeutet wiederum, das die bauteile eine Toleranz von ebenfalls 10% haben, damit die Werte sich angleichen.. Bei Deiner Z-Diobe bedeutet dass, sie kann im Bereich von 4,3 - 5,2 V liegen.Demnach wären die nächsten Z-Diodentypen Z4,3 und Z5,2.
Bei der E20 Reihe hast Du z.B. 20 Werte pro Dekade, was eine Toleranz von 5% bedeutet.
Wenn du die Verlustleistung der Z-Diode hast, kannst du den zulässigen Strom ausrechnen (I= Verlustleistung/Zenerspannung)Anhand dieses Stromes kannst Du den Widerstand berechnen (R= (Max.Spannung-Zenerspannung)/Strom).

Gruss

Wolfgang

[magnetix48]

Hallo IRQ,

ich habe noch eine Alternative zur Zehnerdiode. Da die Eingänge im Bereich Gnd - 0,5 V bis UB + 0,5 V liegen dürfen, kann man auch mit zwei Schottky-Dioden die Schaltung schützen. Vorteil, man ist unabhängig von der Toleranz der Zehnerdiode und ein 5 V Eingangssignal wird noch nicht begrenzt.

Gruß
Detlef

[Laeubi]

Nimm einfach einen Wiederstand der den Strom auf 1mA begrenzt, der AVR hat interne Schutzdioden.
Ansonsten nimmt mn nen 5,1V Z-Diode in der Regel dafür

[shaun]

Genau. Wenn Dein OPV also zB mit 12V läuft, hast Du auch bei durchgeschlagenem Ausgang nicht mehr als 12V zu erwarten. 12V minus Vcc des Controller macht bei Vcc=5V also 7V, bei 1mA also 6,8k in Reihe. Problem dabei: der Wandler hat zwar einen irrsinnig hohen statischen Eingangswiderstand, aber einen recht geringen dynamischen, d.h. über dem Widerstand fällt während der Wandlung uU soviel Spannung ab, dass Dir ein oder mehrere LSB verloren gehen. Datenblatt hilft!

[IRQ]

Herzlichen Dank für die zahlreichen und ausführlichen Antworten!

Mein gedankliches Problem bei der ganzen Sache ist, dass ich nicht weiß, wie groß der Strom ist, der durch die OPVs fließt, ob jetzt 1mA oder 2mA, bzw. die maximale Spannung, die er liefert (dagegen soll ja geschützt werden).

Wenn der AVR interne Schutzdioden hat, dann ist das ja sehr praktisch, dann kann ich die Z-Diode echt weglassen.

shaun hat gesagt, dass der OPV auf max. 12V verstärkt, wenn Vcc 12V ist, sehe ich das richtig? Da ich den OPV an Vcc=5V betreibe, würde dies bedeuten, dass der Port eh schon geschützt ist, da der Verstärker maximal 5V erzeugt, oder? Ich habe noch kaum eine Ahnung von OPVs, daher die Unklarheiten...

Ich habe mir mal das Datenblatt des LM358 angeschaut (hier zu finden (http://www.reichelt.de/inhalt.html?SID=18oO0EZawQARMAAFykAww8bd955d07d616 672838f4cc2bfef1638;ACTION=7;LASTACTION=6;SORT=art ikel.artnr;GRUPPE=A215;WG=0;SUCHE=lm358;ARTIKEL=LM %2520358%2520DIP;START=0;END=16;STATIC=0;FC=669;PR OVID=0;TITEL=0;DATASHEETSEARCH=LM%20358%20DIP;FOLD ER=A200;FILE=LM258_LM358%2523STM.pdf;DOWNLOADTYP=1 ;DATASHEETAUTO=;OPEN=0)): Da steht auf der ersten Seite gleich:

"LARGE OUTPUT VOLTAGE SWING 0V TO (VCC – 1.5V)"

Bedeutet das, dass er maximal auf 5V-1,5V verstärkt? Ich weiß gar nicht, an welcher Spannung ich ihn betreiben muss, weiter unten im Datenblatt steht etwas von 32+V, aber das wird wohl die Maximalspannung sein, oder?

Evlt. kann ich ja mal ein Foto vom Schaltplan hochladen, wenn das hilft, aber ich denke, das verwirrt im Moment eher. Danke für die Hilfe!

[Laeubi]

Wo soll der OP den die höhere Spannung hernehmen? Wäre ja toll wenn das ginge (man bräuchte keine Stepups mehr).
Der OP kan MAXIMAL die Versorgungspannung ausgeben... meist 1 - 2 V weniger (und meist auch nicht ganz bis GND runter)

[magnetix48]

Hallo IRQ,

du hast richtig vermutet, bei 5 V Betriebsspannung kann der LM358 nur bis +3,5 V aussteuern. Wenn du eine Ausgangsspannung bis 5 V benötigst, must du entweder die Betriebsspannung für den OP erhöhen oder einen sogenannten Rail to Rail OP verwenden, der praktisch bis zur Betriebsspannung aussteuern kann. Andererseits brauchst du dir mit dem LM358 keine Sorge um den Eingangsschutz des uC machen, da der OP garnicht so weit aussteuern kann!

Gruß
Detlef

[IRQ]

Hey, das ist ja prima. Einfacher gehts ja dann nicht. Hab mir mal so einen RTR-OPV rausgesucht (doppel RTR für Vcc+ und Vcc-): TS 912IN (gibts bei Reichelt, evtl werde ich auch die Version mit 4 integrierten OPVs nehmen, wenn das schaltungstechnisch einfacher ist). Im Datenblatt heißt es:


The input voltage range Vicm includes the two
supply rails VCC+ and VCC-.
The output reaches :
• VCC- +40mV VCC+ -50mV with RL = 10kΩ
• VCC- +350mV VCC+ -350mV with RL = 600Ω

Ok, Englisch kann ich ja, nur was ist RL; der Lastwiderstand? Wo ist denn der angeschlossen? Ich würde das 10kΩ-Teil schon nehmen, wenn ich nur wüsste wo ;-)

[stegr]

In nem Post vorher hattest du die +32V angegeben und als Maximalspannung identifiziert - auch korrekt.
Alles was unter "absolut maximum ratings" steht, heißt: wenn mehr, dann Bauteil kaputt.

RL = R(loaded) = Lastwiderstand - völlig korrekt :)
RL ist der Parallel-Widerstand am Ausgang des OP (parallel = Ausgang verbunden mit GND) - damit belastest du ja den Ausgang. In deinem Fall ist RL der Eingangswiderstand von deinem AD-Port.
Also: im Datenblatt vom uC nachschaun, was der für einen Eingangswiderstand an einem AD-Port hat.

MfG
Stefan

[IRQ]

Hi Stefan, danke für die Erklärungen. Im Datenblatt konnte ich leider nicht konkret finden, welchen Eingangswiderstand der A/D-Port hat. Es ist eine Zeichnung im Kapitel über den Wandler drin, da ist ein Widerstand vor dem R/S-Kondensator mit "1.. 100kΩ" beschriftet.

Da ich den Port als Eingang betreibe muss ich aber sowieso den Pullup-Widerstand einschalten und der hat ja 10kΩ wenn ich mich recht erinnere. Mit den Messungen sollte es also keine Probleme geben.

Und wenn oben und unten ein paar mV abgeschnitten werden - was soll's, ist eh ein Übungsprojekt, ich bin froh, wenn's überhaupt einigermaßen funktioniert, was ich da zusammenschuster ;-)

[Laeubi]

Er nein PULLUP AUS! für AD Messung, und 1...100k beduete zwischen einem un 100k eingagnswiederstand.

[magnetix48]

Hallo IRQ,

laut Datenblatt Abschnitt "Electrical Characteristics/ADC Characteristics" ist der Eingangswiderstand der Analogeingänge mit minimal 55 typisch 100 MOhm im Verhältnis zum Referenz-Eingang mit 32 kOhm sehr hochohmig und kann in den meisten Fällen vernachlässigt werden.

Gruß
Detlef