Überspannungsschutz vor A/D Wandler

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23.12.2005, 14:45
FelixA

Überspannungsschutz vor A/D Wandler

Hallo Leute,
ich hab ein Problem. Vor einem A/D Wandler der etwa mit 3 Veff Welchselspannung belastet werden darf (sein Arbeitsbereich liegt jedoch zwischen 0-1Veff; nur bei etwa 3Vgeht er kaputt), habe ich einen Operationsversträker geschaltet. Je nach der höhe des Eingangssignal muss man am Operationsverstärker den Verstärkungsfaktor einstellen.

Wenn man mal ausversehen einen falschen Verstärkungsfaktor einstellt, kann es passieren, dass der A/D Wandler ein Signal mit einer zu hohen Spannung bekommt.

Nun meine Frage:
Hättet ihr eine kleine Elektronik mit der ich Signale mit mehr als 1,5Veff einfach sperren oder angeleitet kann? Das Signal dürfte durch diese Schaltung sogut wie nicht beeinflusst werden. (ich dachte schon an eine Schmelzsicherung, aber ich denke es gibt eine bessere Lösung)

Danke.

Felix
23.12.2005, 15:47
ThunderD

Wie wärs mit ner Zenerdiode? Leitet die Spannung, welche über nen bestimmten Wert kommt, gegen Gnd ab.
23.12.2005, 15:53
foxi_the_daywalker

bei 1,5 V würde ich eher an zwei Siliziumdioden denken.

Bis denn
Foxi
23.12.2005, 16:25
Ratber

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Einfacher Vorschlag.
23.12.2005, 16:28
askazo

Da gibt's hier auch schon 2 Vorschläge zu...

askazo
23.12.2005, 16:49
Ratber

Ja,schon gesehen aber hier ist eine Symetrische Begrenzung gefordert die die beiden nicht erfüllen.
23.12.2005, 17:12
FelixA

ah Danke. Zwei Siliziodioden gegen Masse. Top

Kleine Erweiterung der Frage. Ich würde noch gerne mit einer LED kennzeichnen, wenn es zu einer Überspannung gekommen ist. Wie könnte man das machen. Einfach eine LED in Reihe mit einem Wiederstand und den Dioden klappt leider nicht ganz, da die "Überspannung" unterschiedlich hoch ist und Teilweise viele Volt betragen kann.
Hättet ihr auch dafür einen Tipp?

Danke
Felix
23.12.2005, 17:39
FelixA

Ja Danke. Zwei Siliziodioden gegen Masse. Top

Kleine Erweiterung der Frage. Ich würde noch gerne mit einer LED kennzeichnen, wenn es zu einer Überspannung gekommen ist. Es ist in meinen Augen sehr schwer, da man die Signalleitung schwer für die Spannungsversorgung nutzten kann (Wechselspannung von 1Hz bis 30 kHz; Spannungshöhe ungewiss)
Hättet ihr auch dafür einen Tipp?

Danke
Felix
23.12.2005, 19:08
Ratber

Zitat:

Ja Danke. Zwei Siliziodioden gegen Masse. Top

Meinste mich ?

Das sind Zehnerdioden.
Mit einfachen Dieoden sieht das etwas anders aus.

Zu den LED's:

Was einfaches fällt mir nicht ein.
Für alles andere ist mindestens ein OP-Amp und ne Duale Spannungsversorgung nätig.
Ist das denn so wichtig für dich ?
23.12.2005, 19:55
askazo

Zitat:

Zitat von Ratber

Ja,schon gesehen aber hier ist eine Symetrische Begrenzung gefordert die die beiden nicht erfüllen.

Was bezeichnest Du denn als symetrische Begrenzung?

Zur LED: Einfachste Möglichkeit wäre es, das den Microcontroller übernehmen zu lassen, an dem der ADC hängt. Sobald der Wert, den der ADC liefert, am Maximum ist, weißt Du, dass der ADC zu viel Spannung bekommt und schaltest einen Port ein.

askazo
23.12.2005, 20:19
FelixA

Hallo Ratber,
oh sorry hab mich mit den Dioden vertan.

Mir wäre vielleicht auch etwas eleganteres zum Spannungsschutz eingefallen. Hinter den ersten OP-Amp. hänge ich einen zweiten mit v=1. Die Stromversorgung dieses OPs ist so gewählt, dass die die Ausgangsspannung meinen 1Veff entspricht. Ich arbeite mit TL082 und da sind ohnehin zwei Verstärker auf einem IC.

@LED. Ansich nicht so wichtig, aber rein aus technischer Freude würde mich interessieren wie man es realisieren könnte. Könntest du vielleicht bisschen beschreiben, wie deine Idee wäre?

Danke.

Felix
23.12.2005, 20:48
Ratber

@Askazo

Zitat:

Was bezeichnest Du denn als symetrische Begrenzung?

les nochmal Felix Angaben im ersten Post.

Eine effektive Wechselspannung von bis zu 1V soll gemessen werden aber der Wandler ist nur bis 3V sicher.
Ohne weitere Angaben interpretiere ich das so das die Wechselspannung massebezogen ist.
Dh. eine Spannung von mind 1V auf masse bezogen darf nicht beeinflusst werden aber muß auf unter 3V begrenzt werden.

Eine einfache Siliziumdiode vom Wandler gegen Masse würde Positiv garnichst bewirken und negativ schon bei 0.7V (Bei Schotky schon bei ca. 0.3V) begrenzen und damit das Messsignal verfälschen.
Eine Weitere Diode gegen Vcc bringt in deisem Falle übrigens auch nix da sie erst ab Vcc+Diodenschwellspannung begrenzt was dann schon weit ausserhalb des zulässigen Bereichs ist.
Aus dem Grund hilft nur eine Symetrische Begrenzung.

Rechne mal mit den Modellen die Potentiale aus dann kommste dahinter.

Zitat:

Zur LED: Einfachste Möglichkeit wäre es, das den Microcontroller übernehmen zu lassen, an dem der ADC hängt. Sobald der Wert, den der ADC liefert, am Maximum ist, weißt Du, dass der ADC zu viel Spannung bekommt und schaltest einen Port ein.

Stimmt ,so gehts einfacher.

@Felix

Zitat:

oh sorry hab mich mit den Dioden vertan.

Macht ja nix.
Dafür hab ich ja nochmal hingewiesen bevor was passiert.

Zitat:

Mir wäre vielleicht auch etwas eleganteres zum Spannungsschutz eingefallen. .............

Ja,das ginge sicher auch aber recht viel Aufwand gegenüber den Dioden.

Zitat:

LED. Ansich nicht so wichtig, aber rein aus technischer Freude .........

Askazo hat schon ne recht einfache Möglichkeit beschrieben.
die kommt ohne jegliche zusätzliche Beschaltung aus.(LED ausgenommen natürlich)
Nur einige Zeilen Code mehr.
23.12.2005, 21:02
ogni42

Am Besten sind schnelle Siliziumdioden in Reihe nach Masse (und ein Vorwiderstand, damit bei Überspannung Dioden oder die Quelle nicht gegrillt werden).

Beachten musst Du dabei, dass die Dioden in Sperrrichtung eine Kapazität aufweisen, die von Deiner analogen Quellen ge- und entladen wird. Das bedeutet, dass die maximale Samplefrequenz ggfs. niedriger wird.

Deswegen sind Zenerdioden als Begrenzer für einen Messeingang auch nicht so geeignet, da deren Sperrschichtkapazität recht hoch ist.
23.12.2005, 21:07
Ratber

Ja ,der war gut :D :D
27.12.2005, 15:03
askazo

@Ratber:
Verstehe, was Du meinst. Ich bin dennoch der Meinung, dass man mit meiner Schaltung alle gängigen ADCs schützen kann.

Alle ADCs, von denen ich bisher das Datenblatt gelesen habe (und das sind nicht gerade wenige) haben einen Eingangsspannungsbereich für den analogen Eingang von Vss-0,x V bis Vcc+0,x V (meistens ist x=7). Ich kenne keinen ADC der mit negativer Spannung am Analog-Eingang klarkommt, von daher schützt die Diode gegen Masse schonmal vor Unterspannung.
Die Diode gegen Vcc schützt nach dem gleichen Prinzip gegen Überspannung.

Bei Felix' ADC bin ich daher davon ausgegangen, dass er mit 3V Versorgungsspannung betrieben wird. Da kann ich mich auch irren, aber er hatte halt keine genauen Angaben in diese Richtung gemacht.
Von daher würde mich mal interessieren, um welchen ADC es hier eigenltich geht...

Gruß,
askazo
27.12.2005, 15:18
FelixA

Es ist der CM108. Kein üblicher A/D Wandler ab ich bin voll zufrieden ;)
27.12.2005, 15:43
askazo

Ist das dieses Audio-Teil mit USB, DAC, ADC usw. von C-Media?
Wenn ja, kann der analoge Eingang Spannungen von -0,3 bis 5,5 V vertragen...

askazo
27.12.2005, 16:00
Ratber

Zitat:

Zitat von askazo

@Ratber:
Verstehe, was Du meinst. Ich bin dennoch der Meinung, dass man mit meiner Schaltung alle gängigen ADCs schützen kann.

Hier gehts aber nicht um "Gängig".
Am Eingang liegt laut Felix eine Wechselspannung von ca. 1V
Deiner Schaltung Beschneidetdas Signal auf der Negativen Seite.

Zitat:

Alle ADCs, von denen ich bisher das Datenblatt gelesen habe (und das sind nicht gerade wenige) ..........

Och bitte jetzt keinen Schwanzvergleich in richtung Menge,Alter,Körpergröße....etc.!

Zitat:

.........haben einen Eingangsspannungsbereich für den analogen Eingang von Vss-0,x V bis Vcc+0,x V (meistens ist x=7). Ich kenne keinen ADC der mit negativer Spannung am Analog-Eingang klarkommt,...........

Ist dem so ?
Ich kann zwar auf die Schnelle nicht mit einer Typenbezeichnung angeben aber geben tutet es das schon.
Schau mal in den Link Da haste ein recht altes Prinzip das auch noch Heute anzutreffen ist.
Leider meinen viele das AD-Wandler alle so sein müßten wie beim lieben und derzeit modernen Controller.
Es gibt mehrere Wandlungsverfahren und es gibt auch ADC-Chips mit Vorverstärker,mit eigener negativer Versorgung,mit Rechenwerken und noch ganz anderen Geschichten.
Mehr als man glauben möchte :wink:

Zitat:

......von daher schützt die Diode gegen Masse schonmal vor Unterspannung.
Die Diode gegen Vcc schützt nach dem gleichen Prinzip gegen Überspannung.

Ja bei eingangsspannungen von Masse bis Vcc minus/plus Schwellspannung.Das haste ja schon geschrieben und das ist auch allgemein bekannt.
aber du übersiehst immernoch das hier eine Negative Spannung bis ca. 1V Beabsichtigt ist.
Rst steht oben.

Zitat:

Bei Felix' ADC bin ich daher davon ausgegangen, dass er mit 3V Versorgungsspannung betrieben wird. Da kann ich mich auch irren, aber er hatte halt keine genauen Angaben in diese Richtung gemacht.
Von daher würde mich mal interessieren, um welchen ADC es hier eigenltich geht...

Der Wandler ist seine Sache,hier gehts nur um den Schutz.
Vorgabe ist eine Wechselspannung von +-1V und eine Begrenzung auf max +-3V.
Wie er es macht und was er damit macht ist mir Latte und geht mich nix an soweit es nicht das dargeastellte Problem betrifft.
Meinentwegen kann er damit auffem Klo nen Furz digitalisieren und Analysieren. :D

Ich habe die angabe einer Signalbegrenzung von +-3V um Masse und die ist erfüllt.
Deine Schaltung schneidet die Negative Welle bei ca. -0.3 bzw. -0.7V das Signal ab und begrenzt nicht bei +3V.
Damit ist die nicht geeignet.
du schützt nur den Versorgungsspannungsbereich.
Bei gängigen Modellen ist das üblicherweise dekungsgleich mit dem Eingangsbereich des Wandlers aber eben nicht immer wie man in diesem Falle sieht.

Les nochmal in ruhe durch dann kommste schon drauf :wink:

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Edit:
Zu lange getippert.

Jetzt haste nen Beispiel.
27.12.2005, 17:55
FelixA

Ratber. Recht interessant euren kleinen Twist mitzuverfolgen.
Danke für die Hilfe.

@askazo. Ja richtig. Es ist dieses C-Media IC. Eingangssignale über 1 Veff werden exakt abgeschnitten und ich möchte das IC nicht übermäßig belasten. Daher die 3Veff.
27.12.2005, 18:33
askazo

Zitat:

Zitat von Ratber

Hier gehts aber nicht um "Gängig".
Am Eingang liegt laut Felix eine Wechselspannung von ca. 1V

Solange man mir nicht sagt, um welche Bauteile es sich handelt, beziehe ich mich immer auf gängige Bauteile. Da viele hier nicht zwischen pulsierender Gleichspannung und Wechselspannung unterscheiden, war der von Felix genannte Eingangsspannungswert kein Grund für mich, auf einen exotischen ADC zu schließen.

Zitat:

Zitat von Ratber

Och bitte jetzt keinen Schwanzvergleich in richtung Menge,Alter,Körpergröße....etc.!

Sorry, hatte ich nicht vor. Ich wollte Dich auch nicht persönlich angreifen. Tut mir leid, wenn das so rübergekommen ist.

Zitat:

Zitat von Ratber

Der Wandler ist seine Sache,hier gehts nur um den Schutz.

Ja, aber der Schutz ist eben je nach Wandlertyp unterschiedlich. Und wenn Du Dir das Datenblatt von Felix' Wandler anschaust, wirst Du sehen, dass der analoge Eingang keine negativen Spannungen mag. Von daher würde Deine Schutzschaltung den ADC nicht sicher schützen.

Gruß,
askazo
27.12.2005, 20:31
Ratber

Zitat:

Solange man mir nicht sagt, um welche Bauteile es sich handelt, beziehe ich mich immer auf gängige Bauteile. Da viele hier nicht zwischen pulsierender Gleichspannung und Wechselspannung unterscheiden, war der von Felix genannte Eingangsspannungswert kein Grund für mich, auf einen exotischen ADC zu schließen.

Also für mich ist die Erläuterung ganz oben eindeutig.

Zitat:
============================
Ich hab ein Problem. Vor einem A/D Wandler der etwa mit 3 Veff Welchselspannung belastet werden darf (sein Arbeitsbereich liegt jedoch zwischen 0-1Veff; nur bei etwa 3Vgeht er kaputt),........................

....................Hättet ihr eine kleine Elektronik mit der ich Signale mit mehr als 1,5Veff einfach sperren oder angeleitet kann.........

Zitat Ende:
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Da steht "Wechselspannung".
Was du so als "Pulsierende Gleichspannung" umschreibst nennt sich ganz Simpel "Mischspannung"

Das Thema "Exotischer ADC" hab ich ja schon besprochen.
Was für dich Exotisch ist ist für andere "normal"

Zitat:

Ja, aber der Schutz ist eben je nach Wandlertyp unterschiedlich.

Die ware Identität von Felix Wandler war zu Anfang unserer Diskussion noch garnicht klar also macht es jetzt keinen Sinn eine altes Diskussionsthema auf neue Tatsachen anzuwenden.
zu dem Zeitpunkt standen 1V Wechselspannung zur Debatte.
Aber das habe ich nun bestimmt schon zum dritten male erläutert.

Zitat:

Und wenn Du Dir das Datenblatt von Felix' Wandler anschaust, wirst Du sehen, dass der analoge Eingang keine negativen Spannungen mag. Von daher würde Deine Schutzschaltung den ADC nicht sicher schützen.

Gut kommen wir zur aktuellen Schaltung:

Wenn du es so siehst dann ist deine beschaltung genauso unbrauchbar wie meine denn beide lassen negative Spannungen zu.
Da ist bei den Absoluten Maxima gerade -0.3V noch genemigt was eine Schotky nicht garantieren kann.
Positiv bin ich fein raus aber bei dir siehts mau aus.
Bei max 3V kann ich ne passende Z-Diode einsetzen wärend deine Schaltung erst bei min. 4.5V(Minimale Betriebsspannung Avcc)+Schwellspannung dicht macht :wink:

Also was soll das alles ?
Wir können jetzt noch Tagelang rumhampeln oder endlich weitermachen.

Sach was !
28.12.2005, 13:18
ogni42

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Das attachte GIF zeigt, was ich oben meinte. Der Widerstand begrenzt den Strom durch die Dioden (und schützt die analoge Quelle).

@Ratber: Je größer der Widerstand ist, umso geringer ist der Strom der abzüglich des Speerstromes der Dioden zum Umladen der Sperrschichtkapazitäten der Dioden zur Verfügung steht. Das spielt selbstverständlich eine Rolle. Ein schlechtes Beispiel für sowas ist die Eingangsschaltung des ADwandlers beim AVR Butterfly. Dort begrenzt der hohe Eingangswiderstand (400k, IIRC) in Verbindung mit der Zenerdiode (Leckstrom >1mA, C >100pF) die maximale Messfrequenz auf ca. 60KHz, obwohl der ADWandler 200kHz könnte.

Deswegen sind Schottky-Dioden für hochohmige Eingänge als Schutz auch nicht geeignet, da sie einen relativ zu Si-Dioden hohen Sperrstrom von ca. 500uA haben, womit bei 3V die Ausgangsimpedanz der Quelle nicht kleiner als 6kOhm sein darf.
28.12.2005, 13:23
askazo

@Ratber

Ok, fassen wir mal zusammen:
- Felix hat sich bei seiner Problemstellung nicht deutlich ausgedrückt.
- Bei einer echten Wechselspannung ist Lösung mit 2 Z-Diodem am effektivsten.
- Bei pulsierender Gleichsspannung / Mischspannung geht sowohl meine Lösung als auch Deine, wenn man die untere Z-Diode weglässt. Wenn wirklich bei +3V dichtgemacht werden soll, fällt meine Lösung auch flach.
- Um gegen Unterspannung zu schützen, gehen auch beide Lösungen - vorrausgesetzt die eingesetzte Diode hat eine Uf von max. 0,3V.
- Wenn der vorgeschaltete OP nur mit positiver Spannung versorgt wird, kann man Unterspannung sowieso ausschließen.
- Wird der OP mit +/- versorgt, kann man den OP mit einer zusätzlichen Diode wie folgt beschalten, um negative Spannung am Ausgang zu vermeiden:

Code:

__ +-----|__|-----+ | | __ | |\ | ---|__|----+---|-\ | | >--->|--+---- +---|+/ | |/ | | ===

Das macht allerdings nicht jeder OP mit, manche neigen durch diese Beschaltung zum schwingen. Muss man ausprobieren.

So, ich hoffe, jetzt sind alle Streitigkeiten geklärt und wir können weitermachen. :)

Gruß,
askazo