Optimale Eingangsbeschaltung für 24V µC Eingang

[witkatz]

Also gut wäre es, wenn alles unter 20V nicht zu einem durchschalten des Transistors führt .... handelsübliche Initiatoren und Endlagenschalter die im Industriebereich mit 24V arbeiten und eben 24V binäre Ausgangssignale ausgeben.

Hast du die 20V aus der Luft gegriffen, oder stehen die in dem Datenblatt des Sensors drin? Im Industriebereich sind die Signalspannungen in der IEC61131-2 definiert. Signalspannung "0": -3…+5 V und Signalspannung "1": 15…30 V. Dazwischen ist es nicht definiert und du kannst deine Schaltschwelle zwischen 5V und 15V so legen, dass es in den definierten Bereichen sicher funktioniert.

Alles für den Anwender wichtige aus der Norm sollte im Datenblatt des Sensors stehen. Wichtig ist dabei, dass deine Eingansschaltung den im Datenblatt jeweils für High- und Low-Zustand vorgegebenen Strom zieht. Vor allem bei 2-Leiter Sensoren Typ 2 und 3, weil der Sensor aus dem Eingangsstrom mit Leistung versorgt wird.

[demmy]

Hallo Witkatz,

der Sensor ist mit einem Versorgungsspannungsbereich von 20V bis 28V angegeben. Folglich kann die Ausgangsspannung ja nicht höher oder niedriger ausfallen.
Die Spannungspegel nach IEC61131-2 zu berücksichtigen mach aber durchaus Sinn. Denn dann kann man auch den Typ des Sensors oder den Hersteller gegebenenfalls wechseln
und die Schaltung ist variabel einsetzbar. Aber wie kann ich die Schaltung jetzt sinnvoll umsetzen um diesen "weiten" Spannungsbereich sauber abzudecken?

Mit einem einfachen Spannungsteiler komme ich da ja nicht mehr hin. Ich müsste den ja so auslegen das bei den Maximalen 30V auf der 24V-Seite die maximal 5V auf µC-Seite anliegen ohne den µC zu beschädigen.
dies wäre z.B. der Fall bei einem Spannungsteiler von 50K/10K. Wenn ich jetzt mit diesen Ohmwerten den unteren Punkt berechene also 15V auf der 24V-Seite, dann kommen nur noch 2,5V am µC an.
Das wäre aber laut Datenblatt definitiv ein Low-Pegel im µC, denn da steht drin für High: 0,6 x Vcc = 3V bei 5V Vcc.

Wie werden denn so Eingangsbeschaltungen in der Industrieelektronik realisiert?

[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.

[demmy]

Hi Geistesblitz,

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?
Bei einem Spannungsteiler gehen aber auch alle Spannungsschwankungen 1:1 durch. Ist das nicht eine zu simple Lösung?

[Peter(TOO)]

Hallo,

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,

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]

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.

[Peter(TOO)]

Hallo,

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]

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.