Schutzdioden an Eingänge

Sie sind ein wirksamer Schutz gegen Überspannung und Verpolung. Lass uns schauen, wie Dioden als Eingangsschutz verwendet werden können.

Schutzdioden an Eingänge

Im letzten Artikel haben wir uns mit Freilaufdioden beschäftigt und damit, wie sie zum Schutz von Schaltungen mit induktiven Lasten eingesetzt werden können. Heute werden wir uns eine andere Art von Schutzdioden ansehen: Eingangsschutzdioden.

Stell dir vor, du möchtest mit deinem Arduino Uno ein Spannungsmessgerät bauen. Dazu kannst du einfach einen der Analogeingänge verwenden. Es wäre jedoch fatal, wenn eine zu hohe Spannung oder eine versehentliche Verpolung den Arduino komplett zerstören würde. Eingangsschutzdioden können vor diesem Problem schützen. Lass uns sehen wie.

Die Schaltung

Die Schaltung sieht komplexer aus, als sie ist. Im Wesentlichen wird die Verbindung zum analogen Pin A0 und GND durch die Schutzschaltung auf dem Breadboard geleitet. Der Strom wird durch einen 10 kΩ Widerstand begrenzt. Zwei Dioden, eine zu 5V und eine zu GND, sorgen für den Schutz. Durch sie ist die Schaltung sicher, auch wenn man die Spannung einer 9 V Batterie misst oder versehentlich die Messleitungen vertauscht.

Willst du es selbst ausprobieren? Dann kannst du den untenstehenden Code dazu nutzen.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  float voltage = analogRead(A0)*5.0/1024.0;
  Serial.print(voltage);
  Serial.println(" V");
  delay(5000);
}

Funktionsweise der Schaltung

Wie funktioniert die Schaltung? Schauen wir uns zwei verschiedene Fälle an und wie die Dioden in diesen schützen:

1. Wenn die Eingangsspannung höher ist als die Versorgungsspannung, ist der 5V Pin negativer als die Eingangsspannung. Wenn die Eingangsspannung etwa 0,2 V höher ist als die Versorgungsspannung, beginnt die obere Diode zu leiten. Dadurch wird die maximale Spannung am Analogeingang A0 auf etwa 5,2 V begrenzt.
2. Liegt die Eingangsspannung unter 0 V, z. B. weil die Leitungen versehentlich vertauscht wurden, ist der GND Pin positiver als die Eingangsspannung. Wenn die Eingangsspannung etwa 0,2 V unter null liegt, beginnt die untere Diode zu leiten. Dadurch wird die minimale Spannung am Analogeingang A0 auf ca. - 0,2 V begrenzt.

Zu beachten ist, dass die oben genannten Werte für Schottky-Dioden gelten, für normale Siliziumdioden sind sie höher. Der Widerstand spielt eine wichtige Rolle bei der Begrenzung des Gesamtstroms. Wenn sein Wert zu klein ist, könnten die Dioden überhitzen, während sie Strom leiten.

Jetzt wissen wir also, wie die Schutzschaltung funktioniert, aber was ist mit den Messergebnissen? Nun, wir können nicht erwarten, dass der Arduino Spannungen außerhalb seines Messbereichs misst. Der Messwert wird im Falle von Überspannung bei 5 V und im Falle von Verpolung bei 0 V beschnitten.

Schutzdioden in ICs

Dioden als Eingangsschutz sind weit verbreitet. Sie sind sogar so weit verbreitet, dass sie in die meisten neueren ICs bereits integriert sind. Sie dienen dem Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD), die einen Chip bei Berührung ansonsten leicht zerstören könnten. Der ATmega328P, der im Arduino Uno verwendet wird, hat ebenfalls solche Schutzdioden (siehe Datenblatt). Aber Vorsicht, die integrierten Schutzdioden sind viel kleiner als die externen, die wir hier verwendet haben. Sie vertragen nur eine begrenzte Strommenge. Im Falle des Arduino Uno können sie nur 1 mA Strom verarbeiten. Dieser Wert ist in der Regel als "injection current" im Datenblatt eines ICs angegeben.