12 В вхід на 3,3 В GPIO, TVS знищено або Шоткі?

Я будую свій власний ПЛК, який повинен приймати постійні входи до 30 В постійного струму в STM32F з 3,3 В входами.

Комутований вхід повинен працювати з 8-30 В, але 90% часу напруга на вході буде фіксуватися на 12 В або 24 В. Входи будуть коли-небудь перемикачами, такими як кінцеві вимикачі, тому мене не турбує виявлення входи менше 8 В або входи від датчиків тощо. Я також не переживаю за швидкість, оскільки реально найшвидший перемикач буде рухатися кожні 1 с; Мені просто потрібно бути впевненим, що мій мікроконтролер захищений.

Я хочу універсальну схему, яку я можу використовувати в декількох продуктах / проектах подібних типів, тому кількість компонентів, вартість та простір друкованої плати має бути мінімальним, тому я не хочу використовувати оптрони.

Два інженери-електронники рекомендували наступне, але я не дуже впевнений, який спосіб найкращий:

Чи варто використовувати верхній або нижній? Будь-чому?

Це насправді вікова проблема з ПЛК і не настільки проста, як ваші намічені рішення.

Найбільша у вас проблема - це те, що, маючи широкий спектр потенційних логічних напруг, з якими вам потрібно впоратися, фактичні логічні рівні можуть бути набагато вищими за рейку 3,3 В, яку ви використовуєте всередині країни. Деякі датчики та пристрої мають логічні пороги вище 5В. Таким чином, просто використання відключеної схеми, як ви вказали, не виявить низький рівень у таких датчиків.

Етап введення PLC повинен бути набагато гнучкішим.

Навіть якщо логічний рівень низького рівня прийнятний, ці схеми страждають від різних проблем.

Обмеження Zener / TVS.

Ця схема має перевагу в тому, що для відомої вхідної напруги стабілітра може бути розміром, щоб ніколи не дозволяти напрузі перевищувати напругу в рейці. Зазвичай ви вибрали б ценер із меншим зворотним напругою, ніж рейка, але вище логічного порогу високого рівня.

Тим не менш, ценеровитрат витратить чимало свого зворотного упередженого життя, тому що ви сплачуєте штраф у вигляді зворотного часу відновлення, коли вхідний сигнал падає, що затримає ваш сигнал косою.

Інша проблема Zener - це фактична напруга, на яку вона буде обмежена, залежить від струму, що проходить через неї. Як така, що напруга певною мірою залежатиме від напруги сигналу. Тому вам потрібно розробити резистор на максимальну вхідну напругу і перерахувати на нижчі напруги, щоб перевірити, чи не обмежувач напруги нижче рівня .$V_{IH}$

Обмежувальний діод

Використовуючи діод до рейки, проблема полягає в тому, що напруга на виході все одно перевищить Vcc. Однак це все ще може бути згубним для введення. Крім того, у цьому випадку зворотний час відновлення означає, що для швидких країв введення, висока напруга зробить це дуже коротко.

Так

Оскільки обидві ці схеми містять високий резистор на вході, обидва вимагають того, що приводить вхід, щоб мати низький вихідний опір. З двох варіантів, версія zener забезпечує кращий захист, але ціною продуктивності. Жоден з них не буде працювати, якщо підключеного датчика> 1,5 В або близько того.$V_{OL}$

Альтернативи

Опто-з’єднання

Поширений метод, що використовується ПЛК, - це використання оптичних з’єднувачів.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Цей метод дає додаткову перевагу ізоляції та поділу землі. Проблема полягає в тому, що вам потрібна певна форма кондиціонування сигналу між датчиком і входом для того, щоб світлодіод загорівся на потрібному порозі і щоб через світлодіод надходив правильний обсяг струму. Цей кондиціонер може бути простим резистором, показаним вище, або складною схемою, яка включає якийсь компаратор.

Обмежувальним фактором є також швидкість опто-з’єднувача. Однак цей метод зазвичай використовується, оскільки він дає повну гнучкість.

Кондиціонування аналогового вводу

Інший метод полягає в тому, щоб прийняти сигнал в аналоговій формі, порівняти його з змінною посиланням з гістерезисом і генерувати таким чином логічний рівень.

^{моделювати цю схему}

Очевидно, що компоненти, включаючи компаратор, потрібно вибирати так, щоб вони відповідали максимальним вхідним напругам. Показана схема досить проста, вона може бути набагато складнішою з фільтрами, регуляторами, захистом ESD тощо.

Комбінація

З міркувань ізоляції ви можете поєднати вищезазначене та мати потужність компаратора постійним струмом драйвера до світлодіода оптичного з’єднувача.

Якби я розробляв продукт, я зібрав би все це на невеликому модулі, який можна було б підключити до гніздо для крайових карт на «материнській» дошці, як вони використовують для карток у ПК. Таким чином ви можете їх легко замінити, якщо обсмажуватися. Цей метод дозволяє також зробити доступними інші типи вводу, наприклад, волоконно-оптичний вхід.

100k занадто високий. Це призведе до майже будь-якої операції реле або перемикання поблизу. Не дуже надійний для ПЛК, якщо ви запитаєте мене.

Насправді існують стандарти та правила для PLC . Оскільки ви хочете, щоб усі постачальники PLC мали подібну поведінку в установках, і було б непогано, якби різні моделі могли без проблем з'єднуватися між собою.

Наприклад, вхід вважає його увімкненим лише тоді, коли він тоне щонайменше ~ 2 мА і вище 10 В. (IEC 61131-2)

Це неможливо досягти точно за допомогою пасивів, тому є такі деталі, як SN65HVS880.

У своїй попередній відповіді я наводив схематичний приклад того, як можна спробувати наблизитись до такої поведінки за допомогою пасивів *.

Простий 100K та BAT54S не будуть надійними, я можу вам це сказати з досвіду.

попередня відповідь

* окремий тригер Schmit не суттєвий

Обидва прийнятні. Вам потрібно переконатися в правильному розмірі резистора, щоб вхідний струм не спричинив падіння вхідної напруги нижче V_IH, але при CMOS це тривіально, оскільки вхідний струм настільки малий (100 к. Майже напевно добре)

З другого єдиного застереження, що вам потрібно бути впевненим, що загальне навантаження на 3,3 В ніколи не менше 30 В / 100 К (в рази більше, ніж у вас багато входів), інакше шина 3,3 В може бути підтягнута до напруга, яка може пошкодити пристрої на ньому. Якщо ви переведете мікросигнал у сплячий режим, він може намалювати це мало.

Інший застереження полягає в тому, що в обох випадках резистор 100k діє з вхідною ємністю як фільтр низьких частот, який уповільнює входи. Якщо є вхідна ємність 10pF, вони матимуть максимальну швидкість перемикання близько 100 кГц і затримку близько 2 мікросекунд.