Optimale Eingangsbeschaltung für 24V µC Eingang

**Peter(TOO)** · 12.11.2015, 15:21

Hallo,

Zitat von Geistesblitz

Hab gerade mal hier nachgeguckt auf Seite 263, da sind Diagramme für die Schaltschwellen bei verschiedenen Versorgungsspannungen. Bei den standardmäßigen 5V Versorgungsspannung ist alles über 1,8V ein High-Signal und alles unter 1,4V ein Low-Signal (zumindest lese ich das so heraus). Mit einem Spannungsteiler 56k/10k kommt somit eine Spannung zwischen 5,36V und 2,68V für High raus sowie zwischen -0,54V und 0,89V für Low raus, was eigentlich ganz gut passen dürfte. Wer was anderes weiß darf mich gerne korrigieren.

Das sind die typischen Werte, man sollte Seite 235 nehmen.
Alles was kleine als 0.2*Vcc (@5V = 1.0V) wird garantiert als 0 gelesen.
Was grösser als 0.6*Vcc (@5V = 3.0V) ist, ist garantiert eine 1.

Zwischen 1 und 3 V weiss keiner, welcher Zustand gelesen wird.

Ich gehe mal weiter von 5V Betriebsspannung aus.
Wenn wir nach IEC61131-2 gehen, dann müssen bei 15V mindestens 3V am Pin anliegen. Da wären 1:5 angesagt
Bei 30V sollten aber nicht über 5V am Pin anliegen. Dies ergäbe 1:6.

3V*6 = 18V, ab 18V wird garantiert eine 1 gelesen.
1V*6 = 6V, unter 6V wird garantiert eine 0 erkannt.

Ich bezeichne jetzt mal den Widerstand zwischen Eingang und Pin als R1 und zwischen Pin und Masse als R2.

Durch einem I/O-Pin dürfen maximal 40mA fliessen.
Bei 30V ergeben sich dadurch 30V/40mA = 750 Ohm. Dies ist der kleinste Wert, welcher R1 haben darf.

Die internen Pull Ups brauchen wir nicht, dann sind die maximal 1µA Leckstrom massgebend. R2 muss in diesem Fall den Pin unter 1V ziehen können.
1V/1µA = 1MOhm, das wäre der grösste Wert für R2.

Mit 33k für R1 und 6k8 für R2 wird die Spannung durch 5.85 geteilt.

Bei 30V und 33k liegt der maximale Strom bei 0.9mA.
Die Verlustleistung in R1 liegt dann um die 27mW, also auch kein Problem.

So jetzt kannst du das Ganze mit diesem Wert nachrechnen.

MfG Peter(TOO)

- - - Aktualisiert - - -

Hallo,

Zitat von demmy

also auf Seite 235 des gleichen Dokuments steht in der zweiten Zeile der unteren Tabelle etwas anderes.

Da steht:

Input High Voltage except XTAL1 and RESET pins
VCC = 2.7V - 5.5V
Min 0.6xVCC
Max VCC + 0.5

Was ist denn nun richtig davon?

Beides stimmt

Im Diagramm sind die typischen Werte eingetragen, auf Seite 235 stehen die garantierten Werte!

Man beachte auf Seite 235 auch die Fussnoten 1 und 2!

MfG Peter(TOO)

**demmy** · 12.11.2015, 15:39

Hallo Peter,

ich gebe dir absolut recht!
Aber wenn man nach IEC den gesamten Spannungsbereich von 15V bis 30V abdecken will, komme ich mit einem Spannungsteiler rechnerisch einfach nicht hin.

Betrachten wir mal die Grenzfälle, wie du schon gesagt hast gilt:

bei 15V brauche ich mindestens 3V am µC für ein High Pegel: das wäre dann ein idealer Spannungsteiler mit 40K/10K
bei 30V darf ich maximal 5V am µC Pin haben: das wäre dann ein idealer Spannungsteiler mit 50K/10K

Das lässt sich einfach nicht in Einklang bringen.

Ergänzung:

Ich habe hier mal einen Auszug aus einem Datenblatt eines großen namhaften Industrieelektronik Herstellers. Die haben dort schemenhaft angedeutet wie Sie Ihre Eingangsbeschaltung machen. Ich war gar nicht so weit weg davon.

Nur leider fehlen ein paar wesentliche Angaben in der Schaltung.

Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

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**Peter(TOO)** · 12.11.2015, 16:21

Hallo,

Zitat von demmy

ich gebe dir absolut recht!
Aber wenn man nach IEC den gesamten Spannungsbereich von 15V bis 30V abdecken will, komme ich mit einem Spannungsteiler rechnerisch einfach nicht hin.

Betrachten wir mal die Grenzfälle, wie du schon gesagt hast gilt:

bei 15V brauche ich mindestens 3V am µC für ein High Pegel: das wäre dann ein idealer Spannungsteiler mit 40K/10K
bei 30V darf ich maximal 5V am µC Pin haben: das wäre dann ein idealer Spannungsteiler mit 50K/10K

Das lässt sich einfach nicht in Einklang bringen.

Ich habe die Norm leider nicht, aber da muss es auch noch Toleranzen geben.

Die 15V werden sich aus einer Worst Case Rechnung ergeben, also minimale Versorgungsspannung und maximaler Spannungsabfall am Ausgang.

Die 24V Versorgungsspannung für den Sensor, sind normal etwa +/-20%, also zwischen 19.2V und 28.8V
Dann dürfen am Ausgang und auf der Leitung noch 4.2V abfallen um die 15V zu erreichen.

Die Sensoren sind auch darauf ausgelegt, Magnetventile usw. direkt schalten zu können, weshalb sie auch Ströme von einigen 100mA schalten können.

Was soll das Ganze eigentlich werden und in welchem Umfeld soll es eingesetzt werden?
Bisher haben wir noch gar nicht über Störspannungen usw. gesprochen.

Deine Schaltung mit dem Transistor ist auch nicht besser. Da unterliegt die genaue Schaltspannung einigen Exemplarstreuungen, wie z.B. der Verstärkung des Transistors. Hinzu kommt dann noch der Temperaturdrift von grob -2.5mV/K.

Wenn du es wirklich richtig und einstellbar machen willst, nimmst du einen Komparator wie z.B. den LM339. Der braucht dann aber auch noch eine Hysterese und eine Schutzschaltung gegen Spannungsspitzen usw.

MfG Peter(TOO)

**demmy** · 13.11.2015, 14:14

Hallo Hallo,

also ich habe gestern etwas Zeit gehabt und noch ein paar Berechnungen und Versuche bez. der Transistorschaltung angestellt.
Im Datenblatt ist ja für den BC547 unter Electrical Characteristics folgendes angegeben:
Base-Emitter-Saturation Voltage = Vbe = 700mV bei Bedingungen Ib=0,5mA und Ic = 10mA

Gehe ich jetzt mal in meine Schaltung rein:
dann habe ich bei einem 24K Basiswiderstand und 24V (23,3V / 24K) Ib = 0,97mA
bei 15V (14,3V / 24K) Ib = 0,59mA

das ist alles noch absolut ausreichend um den Eingang des µC sauber zu schalten.

Ich habe dann etwas mit der Schaltung rumexperimentiert und konnte sogar bis auf 11V am Eingang runter gehen und dann erst haben erste Probleme angefangen das die Schaltung instabil wurde.
Nach oben hin gibt es so und so keine Probleme, solange die Spannung nicht so hoch wird das der Transistor nicht in Flammen aufgeht.

Also ich glaube selbst mit Temperaturdrift ist der akzeptable Eingangsspannungsbereich wesentlich größer als mit einem Spannungsteiler und größer als nach IEC-Norm gefoderdet.

**Peter(TOO)** · 13.11.2015, 21:49

Hallo,

Zitat von demmy

Im Datenblatt ist ja für den BC547 unter Electrical Characteristics folgendes angegeben:
Base-Emitter-Saturation Voltage = Vbe = 700mV bei Bedingungen Ib=0,5mA und Ic = 10mA

Über dieser Spalte steht aber auch Typisch und es gilt nur bei 25°C.
Hinzu kommt noch, dass bei diesem Wert der Transistor in der Sättigung ist, also genau an der Grenze zur Übersteuerung.
Darunter steht der Wert, wann der Transistor schaltet und da liegt der Wert zwischen 580mV und 700mV.

Nun ist ein Transistor aber eigentlich ein Stromverstärker.
Wenn wir jetzt 1V als Schaltschwelle für den I/O-Pin nehmen, einen Kollektorwiderstand von 1k und Vcc = 5V nehmen.
(5V-1V)/1k = 4mA (Ic)
Das Hfe liegt nun aber zwischen 110 und 800.
Eine 0 am Pin ergibt sich also zwischen Ib = 4mA/110 = 36µA und Ib = 4mA/800 = 5µA

Etwas einschränken kannst du das Hfe, indem du klassifizierte Typen (A, B oder C) nimmst. Aber ein Faktor 2 bleibt auch dann noch.

Diese Angaben sind jetzt alle für 25°C, die Temperatur ist dabei nicht berücksichtigt.

Hier: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/2N/2N3904.pdf
Kannst du für einen ähnlichen Transistor (Auf Seite 4) den Einfluss der Temperatur in den Diagrammen sehen.

Dein Experiment gilt für das von dir verwendete Exemplar.
Meistens sind sich Exemplare aus dem selben Wafer recht ähnlich oder es gibt systematische Unterschiede zwischen Zentrum und Randlage.
Bei unterschiedlichen Chargen ist dann die Streuung am grössten, Erst recht bei verschiedenen Herstellern.

Für Worst Case gilt aber immer das Datenblatt, dazu muss man es aber auch richtig lesen können.

Anmerkung: Manche Parameter werden mit Impulsen gemessen. Dabei verhindert man, dass sich der Prüfling durch die Verlustleistung erwärmt und nicht mehr bei 25°C gemessen wird.

MfG Peter(TOO)

**Klebwax** · 14.11.2015, 00:15

Zitat von demmy

Aber wenn man nach IEC den gesamten Spannungsbereich von 15V bis 30V abdecken will, komme ich mit einem Spannungsteiler rechnerisch einfach nicht hin.

Dazu klemmt man dann den Eingang mit einer Diode auf die Versorgung des µC. Wobei diese Diode als Substratdiode schon im IC ist. Hat Ranke ja schon alles beschrieben.

Wenn man meint, daß man den Strom im Spannungsteiler nicht klein genug machen kann, um die Dioden nicht zu überlasten, muß man externe Dioden nehmen. Das gibts auch schon als IC fertig. Das klemmt dann auch mehrere Eingänge sowohl auf Vcc als auch GND. Muß man in einer etwas rauheren Umgebung einen Eingang absichern, gehören solche Klemmdioden sowieso dahin.

Ist man sich bei der Qualität des Signals dann immer noch nicht sicher, setzt man einen Buffer mit Schmitt-Charakteristik an die Außenkante des µC-Systems.

dann habe ich bei einem 24K Basiswiderstand und 24V (23,3V / 24K) Ib = 0,97mA bei 15V (14,3V / 24K) Ib = 0,59mA

Wenn beim Design einer rein digitalen Schaltung mit Verstärkungen und Basisströmen gerechnet wird, ist da der Wurm drin. Ohne Not gehören Transistoren nicht in einen digitalen Signalpfad, und ein 24V Digitalsignal ist keine Not.

MfG Klebwax

**demmy** · 14.11.2015, 11:23

Hi zusammen,

was ist denn falsch daran den Transistor in Sättigung zu betreiben wenn man Ihn als Schalter verwenden will? Die Überlegung war einfach den Transistor bei den 24V Nennspannung voll durchzusteueren. Wenn die Eingangsspannung dann weiter abfällt kommt der Transistor irgendwann in den Bereich wo er verstärkt und die Collector-Emitter Spannung nimmt ab. Das wäre ja zunächst auch kein Problem, erst wenn die Spannung in einen Bereich abfällt indem der µC-Ping seinen definierten Highpegel-Bereich verlässt.
Oder sehe ich das falsch?

Das mit den Dioden kann aber doch nur funktionieren wenn ich einen Ini mit npn Ausgang habe?

Könnt Ihr mir evtl. bitte mal ein ganz konkretes Beispiel zeigen wie so eine Eingangsbeschaltung idealerweise aussehen soll? Auch gerne mit Spannungsteiler.

**Peter(TOO)** · 14.11.2015, 14:37

Hallo,

Zitat von demmy

was ist denn falsch daran den Transistor in Sättigung zu betreiben wenn man Ihn als Schalter verwenden will? Die Überlegung war einfach den Transistor bei den 24V Nennspannung voll durchzusteueren. Wenn die Eingangsspannung dann weiter abfällt kommt der Transistor irgendwann in den Bereich wo er verstärkt und die Collector-Emitter Spannung nimmt ab. Das wäre ja zunächst auch kein Problem, erst wenn die Spannung in einen Bereich abfällt indem der µC-Ping seinen definierten Highpegel-Bereich verlässt.
Oder sehe ich das falsch?

Erst einmal ist daran nichts falsch.

Grundsätzlich besitzen auch die meisten Logik-Gatter einen Bereich mit linearer Verstärkung. Bei den ungepufferten CD400 ist dieser teilweise so ausgeprägt, dass diese als Verstärker genutztt werden können:
http://www.hochfrequenzelektronik.ch...chaltungen.pdf
http://www.elektronik-labor.de/Lernp...deaus4007.html

Hier liegt auch das Problem, dass bei CMOS Eingänge nicht unbeschaltet sein dürfen. Im linearen Bereich leiten beide Ausgangs-Transistoren gleichzeitig und können einen "Kurzschluss" der Versorgungsspannung verursachen, da sich gerne ein Pegel in diesem kritischen Bereich einstellt.

Das Problem ist nun, dass auch die digitale Welt eigentlich mit analogen Pegeln arbeitet.

So lange dein Eingangssignal sauber zwischen 0V und 24 springt geht alles in Ordnung, aber das muss in der Praxis nicht zwingend so sein! Da gibt es z.B. auch Störungen auf den Leitungen.
Deshalb gibt es bei digitalen Pegeln immer einen Bereich, welcher als undefiniert bezeichnet wird und nicht verwendet werden sollte, bzw. dafür eine maximale Flankensteilheit vorgeschrieben ist.
Im undefinierten Bereich neigt die Stufe gerne zum Schwingen. Wenn der Bereich schneller durchlaufen wird, als die Eigenfrequenz des Gatters, ist das noch kein Problem.

So Mitte der 80er Jahre hatte Fairchild die schnellsten Gatter der 74xx und 40xx Familie. Besonders unsauber designte Schaltungen funktionierten deshalb mit den 4000er von Fairchild nicht richtig, liefen aber Problemlos mit anderen Herstellern.

Besonders bei Flip Flops kann dabei ein metastabiler Zustand entstehen:
http://www.asic-world.com/tidbits/metastablity.html
Jetzt darf man aber nicht vergessen, das so ein I/O-Pin eine Flip Flop als Eingangsstufe enthält!

Um die ganze Problematik sicher zu verhindern sollte man Schnitttrigger verwenden. Bei manchen µCs sind einige Ports mit solchen ausgestattet.

Nun zu den Dioden:
Parallel zum Eingang kannst du z.B. eine Z-Diode schalten, die Ansteuerung erfolgt dann über den Spannungsteiler.
An Stelle der Z-Diode kann man auch eine passende LED nehmen, evtl. mit einer zusätzlichen Diode in Serie. Dann hat man als Nebeneffekt noch eine optische Anzeige.

In der realen Welt kann man sich aber nicht darauf verlassen, dass nur 0V und 24V anliegen, da gibt es auch noch Störspannungen und da können auch kurze Spitzen im kV-Bereich auftreten und die Spannung kann auch mal negativ werden.
Für eine sichere Schaltung muss man auch diesen Fall berücksichtigen!

Ich hatte da mal ein von einem Ing entwickeltes PT100 6.Kanal AD-Interface, welches im industriellen Umfeld eingesetzt wurde. Das Teil war mehr oder weniger ein Verbrauchsartikel, die Teile sind buchstäblich reihenweise abgebrannt. Da hat nie einer nach dem eigentlichen Fehler gesucht, da wurden einfach immer alle Halbleiter ersetzt.
Der Fehler bestand in einem OpAmp mit direkt nachgeschaltetem Transistor als Emitterfolger: http://i.stack.imgur.com/T1jQu.png
Das funktioniert auch bestens im Labor.
Entsteht nun aber ein positiver Störimpuls auf der Load-Leitung, versucht der OpAmp die auszugleichen und sein Ausgang geht in die negative Sättigung. Wenn dann -15V an der BE-Strecke des Transistors anliegen. brennt dieser durch. Vom Transistor waren oft nur noch die Anschlussdrähte vorhanden.

MfG Peter(TOO)