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Servus Zusammen,

ich hab mir den Schaltplan http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Dev/Arduino/Shields/Weather%20Shield.pdf (ist von sparkfun, sieht man an der URL leider nicht) angeschaut und dabei bin ich über die Beschaltung der Eingänge zum µC gestolpert, z.B. diesen hier:



Am RJ11-RAIN hängt ein Reedkontakt der von einem Niederschlagsmesser geschaltet wird. Die Konstellation wird auch analog bei den Anschlüssen für die Windgeschwindigkeit (ebenfalls Reedkontakt) und Windrichtung (Reedkonkat der je nach Windrichtung einen bestimmten Widerstand schaltet). Was ich schon rausgefunden habe ist, dass man mit den beiden Dioden von GND -> Signalleitung -> Vcc eine Schutzschaltung gegen Überspannung und negative Spannung realisiert.

Die Frage ist warum wird das hier gemacht? Der Entwickler hat sich bestimmt etwas dabei gedacht, aber die einzige Überspannung die mir einfällt kann bei einem Gewitter auftreten (Blitzschlag) und da helfen die Dioden vermutlich eher nichts. Könnt ihr mir das erklären?

Und wofür sind die 1k-Widerstände gut? Braucht man diese für die Dioden-Schutzschaltung oder sollen die nur den Strom begrenzen der in den µC fließen kann?

» Servus Zusammen,
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» ich hab mir den Schaltplan
» http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Dev/Arduino/Shields/Weather%20Shield.pdf
» (ist von sparkfun, sieht man an der URL leider nicht) angeschaut und dabei
» bin ich über die Beschaltung der Eingänge zum µC gestolpert, z.B. diesen
» hier:
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» Am RJ11-RAIN hängt ein Reedkontakt der von einem Niederschlagsmesser
» geschaltet wird. Die Konstellation wird auch analog bei den Anschlüssen für
» die Windgeschwindigkeit (ebenfalls Reedkontakt) und Windrichtung
» (Reedkonkat der je nach Windrichtung einen bestimmten Widerstand schaltet).
» Was ich schon rausgefunden habe ist, dass man mit den beiden Dioden von GND
» -> Signalleitung -> Vcc eine Schutzschaltung gegen Überspannung und
» negative Spannung realisiert.
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» Die Frage ist warum wird das hier gemacht? Der Entwickler hat sich bestimmt
» etwas dabei gedacht, aber die einzige Überspannung die mir einfällt kann
» bei einem Gewitter auftreten (Blitzschlag) und da helfen die Dioden
» vermutlich eher nichts. Könnt ihr mir das erklären?
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» Und wofür sind die 1k-Widerstände gut? Braucht man diese für die
» Dioden-Schutzschaltung oder sollen die nur den Strom begrenzen der in den
» µC fließen kann?

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Ja, diese Dioden sind soweit ok, eventuell Schottky weil 0,3V statt 0,7V Über- oder Unterspannung.
Jedoch, vor dem R, beim Stecker, wäre noch eine Transil angebracht, damit auch höhere Spannungsspitzen mit höheren Energien
abgefangen werden; ganz krass - eine Ableitbrücke noch dazu.
Ist lediglich als Anlehnung gedacht, so ähnlich; hier ist es eine a-b Telefonleitung. http://www.mikrocontroller.net/topic/311645
Aber,, alles ist relativ.
http://www.mikrocontroller.net/topic/328757

Gerald
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...und täglich grüßt der PC:
"Drück' ENTER! Feigling!"

» Die Frage ist warum wird das hier gemacht? Der Entwickler hat sich bestimmt
» etwas dabei gedacht, aber die einzige Überspannung die mir einfällt kann
» bei einem Gewitter auftreten (Blitzschlag) und da helfen die Dioden
» vermutlich eher nichts. Könnt ihr mir das erklären?

Wenn das Gerätchen schön geerdet ist dann hilft bei einem direkten Blitzschlag wohl keine Schutzschaltung.
Wohl aber gegen statische Aufladungen bei einem Gewitter. Oder je nach Zuleitungslänge auch bei induktiven Einstreuungen.
Eine Wetterstation soll ja nicht im Keller aufgestellt werden sondern an exponierter Stelle und da ist solches wohl sinnvoll.

» Und wofür sind die 1k-Widerstände gut? Braucht man diese für die
» Dioden-Schutzschaltung oder sollen die nur den Strom begrenzen der in den
» µC fließen kann?

Nicht in den µC, durch in die Dioden.

Hallo Bastelix,

» ich hab mir den Schaltplan
» http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Dev/Arduino/Shields/Weather%20Shield.pdf
» (ist von sparkfun, sieht man an der URL leider nicht) angeschaut und dabei
» bin ich über die Beschaltung der Eingänge zum µC gestolpert, z.B. diesen
» hier:
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» Am RJ11-RAIN hängt ein Reedkontakt der von einem Niederschlagsmesser
» geschaltet wird. Die Konstellation wird auch analog bei den Anschlüssen für
» die Windgeschwindigkeit (ebenfalls Reedkontakt) und Windrichtung
» (Reedkonkat der je nach Windrichtung einen bestimmten Widerstand schaltet).
» Was ich schon rausgefunden habe ist, dass man mit den beiden Dioden von GND
» -> Signalleitung -> Vcc eine Schutzschaltung gegen Überspannung und
» negative Spannung realisiert.

So ist es. Ein jeder moderner µP, µC oder sonst ein programmierbares Bauteil ist in CMOS-Technologie realisiert. CMOS-Eingänge, die nirgends kontaktiert sind, sind extrem hochohmig. Nur schon eine Brührung eines solchen Einganges, kann das IC zerstören. Ein Mensch hat eine elektrische Kapazität zur Umgebung von etwa 100 pF. Ist diese Person elektrisch geladen, sind da leicht einige 1000 V möglich. Die Energie bei der Berührungsentladung reicht längst um das IC zu zerstören. Diese einfache Dioden-Widerstands-Methode verhindert dies wirksam....

» Die Frage ist warum wird das hier gemacht? Der Entwickler hat sich bestimmt
» etwas dabei gedacht, aber die einzige Überspannung die mir einfällt kann
» bei einem Gewitter auftreten (Blitzschlag) und da helfen die Dioden
» vermutlich eher nichts. Könnt ihr mir das erklären?

... jedoch nicht, wie Du hier andeutest bei einem Blitzschlag, wie Dir bereits beantwortet ist.

» Und wofür sind die 1k-Widerstände gut? Braucht man diese für die
» Dioden-Schutzschaltung oder sollen die nur den Strom begrenzen der in den
» µC fließen kann?

Genau darum geht es. Für alle CMOS-Eingänge gilt, dass die Eingangsspannung (auch kurzzeitige Spannungsimpulse) nicht grösser sein darf als Vcc + 0.5V und nicht kleiner als GND - 0.5 V. Ober- und unterhalb dieser Grenzwerte wird der CMOS-Eingang leitend.

Wenn diese Spannungswerte nicht eingehalten werden, zündet ein parasitär IC-interner Thyristor (kreuzgekoppelte bipolare Transistoren), die beim CMOS-Herstellungsprozess automatisch mit entstehen und dies nicht vermieden werden kann.

Wenn nun eine, wie eben erwähnte, elektrische (elektrostatische) Entladung erfolgt, ist die sehr kurzzeitige Stromspitze so hoch, dass die Spannungssitze über der Diode deutlich grösser wird als die übliche Durchlassspannung (etwa 0.8 V bei Silizium). Der Widerstand R11 reduziert diesen Spitzenstrom erheblich, der in den IC-Eingang hineinfliesst. Dies vermeidet das Zünden des IC-internen Thyristors. Der Hersteller ist nämlich bestrebt, dass Stromverstärkungen der kreuzgekoppelten Transistoren so niendrig wie möglich sind, so dass eine Zündung bei einer solchen Dioden/Widerstands-Massnahme kaum noch passieren kann. Ausser bei deutlich massiveren Hochspannungsentladungen...

Was geschieht eigentlich, wenn "es" passiert? Der gezündete Thyristor schliesst Vcc mit GND knallhart kurz. Du kannst Dir leicht ausmahlen, was dies für Folgen hat. Man nennt dies einen Latchup-Effekt.

Hier siehst Du eine Schutzschaltung mit deutlich massiverem Aufwand. Es geht bei diesem Beispiel darum, dass mit einer weit entfernten Drucktaste ein CMOS-Eingang betätigt wird:


Mehr dazu liest Du im Kapitel "Störsichere Gate-Eingangsschaltung eines CMOS-IC" im Elektronik-Minikurs:
. . . . . "Pullup-, Pulldown-Widerstand Massnahmen zur Entstörung bei langer Leitung -- Openkollektor - Wired-OR - Latchup-Risiken"
. . . . . . . http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/pullr.htm

Ebenso thematisiert ist diese Angelegenheit mit etwas andern Inhalten hier:

. . . . . "Überspannungsschutz von empfindlichen Verstärkereingängen"
. . . . . . . http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/ovprot.htm

NACHTRAG: Das Ganze gilt übrigens auch für CMOS-Ausgänge. Ist ein solcher Ausgang in den hochohmigen Tristate-Modus geschaltet, gelten die selben Latchup-Risiken.

Viel Spass beim Lesen...

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
https://tinyurl.com/zjshz4h9
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
https://tinyurl.com/fumtu5z9

Hallo Thomas,
» Diese einfache Dioden-Widerstands-Methode verhindert dies wirksam....
Würde das dann auch bei anderen Eingängen Sinn machen, z.B. wenn man einen 1-Wire-Bus an einen µC anklemmt. Die Leitung ist bei mir auch ein paar Meter Lang und könnte sich dann ja auch induktiv was einfangen. Oder Stört das dann den Bus (konkret den 1-Wire-Bus) zu stark?

Danke, auch an simi7 und geralds, für die Antworten und die Links!

Jetzt muss ich doch nochmal nachfragen

» Wenn das Gerätchen schön geerdet ist dann hilft bei einem direkten Blitzschlag wohl keine Schutzschaltung.
Ich bin bisher davon ausgegangen, dass im Falle eines direkten Blitzschlags die ganze Wetterstation reif für den Recyclinghof ist (schon allein die SMD-Widerstände für die Windrichtung und die Reed-Kontakte dürften das nicht aushalten...)

Die Gehäuse der Sensoren (Windgeber, Regenmesser, etc.) sind aus Plastik, befestigt an einer Metallstange. Reed-Kontakte, etc. sind nur ein paar cm von der Außenwand der Gehäuse angebracht und dann über recht dünne Litzen (geschätzt max. 0,14mm²) nach unten geführt. Sollte da der Blitz irgendwo einschlagen, wäre es dann nicht egal ob die Schaltung geerdet ist oder via Batterie betrieben wird? Die Litzen brennen doch ab, auch wenn der Großteil des Blitzstroms über die Metallstange irgendwo anders hin gehen würde. Dabei würde doch noch genügend Überspannung in die Schaltung gehen um auch diese zu grillen, oder?

Würde es rein theoretisch etwas bringen den Metallmast durch nicht leitendes Material zu ersetzen und zusätzlich einen Blitzableiter (>= 16mm² Cu) anzubringen?

» Würde es rein theoretisch etwas bringen den Metallmast durch nicht
» leitendes Material zu ersetzen und zusätzlich einen Blitzableiter (>= 16mm²
» Cu) anzubringen?

Was denn noch?
Natürlich würde das was bringen, aber wozu der Aufwand.
Wie oft hast du schon einen direkten Blitzeinschlag erlebt?

Es geht hauptsächlich um statische Aufladungen.
Wie dick die Leiter oder wie groß die Widerstände sind spielt keine Rolle. Beim direkten Einschlag verdampft alles.

Hallo Bastelix,

» » Diese einfache Dioden-Widerstands-Methode verhindert dies wirksam....

» Würde das dann auch bei anderen Eingängen Sinn machen, z.B. wenn man einen
» 1-Wire-Bus an einen µC anklemmt. Die Leitung ist bei mir auch ein paar
» Meter Lang und könnte sich dann ja auch induktiv was einfangen.

Das kommt ganz auf das elektro(magnetische) Umfeld an. Es gilt betreffs Überspannung schon auch das, was ich geschrieben habe. Es geht um MOSFET-Schaltungen, die ebenfalls parasitäre Thyristoren enthalten, die je nach Störenergie in der Lage sind in den Latchup-Zustand zu geraten.

» Oder Stört das dann den Bus (konkret den 1-Wire-Bus) zu stark?

Ich habe mich mit diesem Bussystem noch nie befasst, habe jetzt mich aber in Kürze etwas informiert und so habe ich diese Basisschaltung entdeckt:


Quelle: https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/214

Ich denke das Diode-Diode-Widerstands-Netzwerk geht schon. Ich würde es auf beiden Seiten (Bild oben) realisieren, weil es Tristatefunktionen (Datenverkehr in beide Richtungen) hat. Die andere gezeigte Schaltung aus dem Minikurs, ich denke, da wird es eher Probleme geben, wegen dem passiven Tiefpassfilter. Das eignet sich nur für langsame Vorgänge, wie die Bedienung einer Drucktaste. Diese Methode wäre aber auch übertrieben für eine eine Leitung von wenigen Metern und erst noch inhouse, wie ich mal annehme.

Wie hoch ist eigentlich die Datenfrequenz?

Hier, und aber längst nicht immer und überall, gilt die Regel: Probieren geht über Studieren.

Viel Erfolg!

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
https://tinyurl.com/zjshz4h9
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
https://tinyurl.com/fumtu5z9

» » Würde es rein theoretisch etwas bringen den Metallmast durch nicht
» » leitendes Material zu ersetzen und zusätzlich einen Blitzableiter (>=
» 16mm²
» » Cu) anzubringen?
»
» Was denn noch?
» Natürlich würde das was bringen, aber wozu der Aufwand.
War eine rein theoretische Überlegung, weil ich gestern noch etwas über die ungeheure Energie von einem Blitz nachgedacht habe. Da konnte ich mir nur verdampfte Bauteile und Kabel vorstellen wenn da ein Blitz einschlägt auch wenn da eine Art Blitzableiter angebracht wäre.

» Wie oft hast du schon einen direkten Blitzeinschlag erlebt?
Das näheste war mal zwei Straßen weiter, google maps sagt ca. 250m Luftlinie... Aber in der Gegend wohn ich schon länger nicht mehr.

» Es geht hauptsächlich um statische Aufladungen.
Ja, in das Thema werd ich mich einlesen und bei meinen Basteleien in Zukunft berücksichtigen. Danke.

Hallo Thomas,

» Ich habe mich mit diesem Bussystem noch nie befasst, habe jetzt mich aber
» in Kürze etwas informiert und so habe ich diese Basisschaltung entdeckt:
Eigentlich finde ich das Bussystem schon cool (geringe Hardware-Anforderungen, lange Leitung, ...) aber die meisten Chips dafür sind schon abgekündigt bzw. nicht mehr erhältlich. Die Ausnahme scheint da der Temperatursensor zu sein (die gibt es in rauhen Mengen incl. Gehäuse und Kabel für ein paar Euro). Selber Slaves dafür zu bauen geht angeblich, allerdings hab ich die Bibliotheken dafür nicht für einen ATTiny compiliert bekommen und einen ATMega dafür zu verwenden rentiert sich für mich nicht. Den Low-Level-Code selber schreiben ist auch nicht so meine Sache, darum werd ich mich demnächst auch mal mit anderen Bussystemen beschäftigen und den 1-Wire nur für die Temperatursensoren verwenden.

» Ich denke das Diode-Diode-Widerstands-Netzwerk geht schon. Ich würde es auf
» beiden Seiten (Bild oben) realisieren, weil es Tristatefunktionen
» (Datenverkehr in beide Richtungen) hat.
An den Sensoren (ich hab nur die Temperatursensoren im Edelstahlgehäuse, Wasserdicht mit Anschlusskabel) wird das schwierig, eben wegen dem Gehäuse und Kabel. Aber ganz ehrlich, wenn so ein Sensor kaputt geht ist das zwar ärgerlich aber die ca. zwei Euro für einen Sensor sind zu verschmerzen. Wenn ein Arduino oder ein Banana Pi schaden nimmt tut das wesentlich mehr weh.

» Die andere gezeigte Schaltung aus dem Minikurs, ich denke, da wird es eher Probleme geben, wegen dem passiven
» Tiefpassfilter. Das eignet sich nur für langsame Vorgänge, wie die
» Bedienung einer Drucktaste. Diese Methode wäre aber auch übertrieben für
» eine eine Leitung von wenigen Metern und erst noch inhouse, wie ich mal
» annehme.
Laut Maxim gehen bis zu 100m - im Testaufbau hab ich so ca. 20m verlegt, bis auf die 20cm unterm Fensterbrett für den Außenfühler ist alles inhouse und das wird auch so bleiben, aber an die 100m könnte ich schon noch ran kommen . Wenn ich doch noch 1-Wire-Temperaturfühler im Garten aufstelle dann werden die Daten entweder ins Haus gefunkt oder auf einen anderen Bus umgesetzt, also zu 99,995% werden die Leitungen im Haus verlegt sein.

» Wie hoch ist eigentlich die Datenfrequenz?
Zur Frequenz hab ich nichts konkretes gefunden, zumindest nichts was ich verstehe und bevor ich hier Schmarrn schreibe.... Die Datenrate ist rund 16 KBit/s

» Hier, und aber längst nicht immer und überall, gilt die Regel: Probieren geht über Studieren.
Dann werd ich das demnächst einfach mal probieren, wenn ich das richtig sehe messen meine Sensoren schlimmstenfalls Mist und das sollte ich recht schnell merken

» Viel Erfolg!
Danke! Ich werd mich dann mit dem Thema doch nochmal genauer befassen und die Mini-Kurse studieren. Überflogen hab ich die vor einige Zeit schon mal, aber da war ich auf der Suche nach einer Entprellung und hab nicht die Zusammenhänge mit Störungen auf der Leitung gesehen.