Optimale Eingangsbeschaltung für 24V µC Eingang

[Peter(TOO)]

Hallo,

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]

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]

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)]

Hallo,

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)

[seite5]

hi,
mit einem Komperator (LM139 o.ä) h#ttest Du eine saubere Lösung und viel Zeit gespart.
mfg
Achim

[Peter(TOO)]

Hallo Achim,

mit einem Komperator (LM139 o.ä) hättest Du eine saubere Lösung und viel Zeit gespart.

Der LM339 steht schon in Folge #23

MfG Peter(TOO)

[demmy]

Wie müsste denn die Schaltung mit dem Komparator aussehen?
Ich versuche dem ganzen gerade irgendwie zu folgen!

[witkatz]

Mit dem Thema "PLC microcontroller interfacing" wurden auch schon andere konfrontiert und es gibt sogar OpenSource SPSen, z.B. hier: http://www.microsps.com/
Im Download bereich fingibt es Schaltpläne für Eingangsgruppen mit 24V Beschaltung, z.B. hier http://mc.mikrocontroller.com/images...Schaltplan.gif
Vielleicht ist das ein brauchbarer Vorschlag - k.A, habs nicht selber ausprobiert.

So oder so ähnlich sehen auch die Prinzipschaltbilder aus, die man in den Beschreibungen der Industriebaugruppen findet. Einen genauen Schaltplan eines industriellen Moduls wird man wahrscheinlich im Netz nicht so einfach finden.

Gruß
witkatz

[021aet04]

Ich habe einmal eine Siemens Eingangskarte repariert (von einer alten SPS). Dort war ein Spannungsteiler auf die Basis eines Transistor, dieser hat dann den Optokoppler geschaltet. Ich könnte noch schauen wie es bei den S5-Karten gemacht wird, aber erst am Nachmittag.

MfG Hannes

[demmy]

Hi witkatz,

also die Eingangsbeschaltung mit dem Optokoppler hab ich schon mal so gesehen. Aber das ist doch eigentlich kein großer grundlegender Unterschied zu meiner Transistorschaltung oder?

@ Hannes, das wäre natürlich mal mega interessant zu wissen die Jungs von Siemens das gelöst haben. Wenn du da noch was beisteuern könntest?

Ich habe hier noch was zum gleichen Thema in einem anderen Forum gefunden. Das ist auch ganz interessant.
http://www.mikrocontroller.net/topic/147024