Як я б створив схему захисного відсікача для входу АЦП?

Я хотів би бути в змозі захистити свій АЦП від вхідних напруг вище 5 В. Яку найпростішу схему захисту я могла побудувати, щоб мати вихід, як показано нижче?

Напевно, найпростішим є простий обмежувач:

Це також обмежить негативні напруги приблизно до -0,7 В, хоча ця межа буде недостатньо контрольована.

Редагувати: Я показую 100 Ом на R1. Це просто значення за замовчуванням. Ви хочете отримати максимальне значення, враховуючи пропускну здатність сигналу, який ви відбираєте, та потреби вхідного потоку АЦП. Чим більший цей опір, тим меншим буде струм, котрий стабілітрону потрібно занурити в умовах перенапруги, тим меншим (і меншим затратами) може бути стабілітра. Ви можете додати конденсатор паралельно з ценером, щоб він поєднувався з R1, щоб сформувати фільтр для згладжування для АЦП.

Варіант з нижчою вартістю, якщо у вас 5-ти напрямна рейка, яка може занурити достатню кількість струму, і ви не заперечуєте, щоб граничне значення було трохи вище 5 В:

Ви можете придбати два діоди в подвійній упаковці саме для цієї мети. Якщо ви хочете, щоб граничне значення було ближче 5,2 В, ніж 5,7 В, використовуйте діоди Шоткі замість звичайних діодів кремнію.

Редагуйте 2

Як зазначає Стівен, тут є компроміс. Ценерів почне трохи проводити при низьких рівнях струму, і джерело, яке ви вимірюєте, повинно бути в змозі забезпечити достатньо струму, щоб заганяти його до 5 В, щоб отримати потрібне відсікання. Якщо вам абсолютно потрібно мати можливість дістати до 5,0 В перед початком відсікання, вам може знадобитися використовувати, скажімо, 5,3 В стабілітрони замість 5,0 В, і переконайтеся, що ваш джерело може забезпечити принаймні 10 мкА. Тоді ви, звичайно, не гарантуєте кліп нижче 5,5 В.

З іншого боку, підключення діода до позитивної рейки (моє друге рішення, будь то зовнішні діоди або ті, які, ймовірно, вбудовані у ваш вхідний блок АЦП), працюватиме лише у тому випадку, якщо на 5-ти V-рейці буде достатньо навантажень, щоб тонути струм, що подається джерелом перенапруги. У ланцюзі малої потужності перенапруга може призвести до вимкнення джерела живлення 5 В поза регулюванням і спричинити всі види несподіваної поведінки в інших частинах схеми.

Ви можете обмежити струм, який потрібно затопити в умовах перенапруги, збільшивши значення R1. Але ваша здатність робити це обмежується пропускною здатністю, яку ви хочете мати можливість вимірювати у вхідному сигналі та / або вхідному струмі, необхідному для вашого АЦП.

Також не вірно, що напруга стабілітра "диво змінюється в залежності від струму". Правильніше було б сказати, що є невеликий струм витоку, порядку 10-100 мкА, нижче порогового значення. Як тільки зенер переходить у лавинну роботу, напруга може бути дуже стабільною протягом десятиліть струму. Ось типовий IV родини On Semi zener:

Зауважте, що зенери більш високої вартості мають кращу стійкість, ніж низькоцінні. І звичайно, існують також теплові перепади (1-2 мВ / К, типові для частини Semi на 5,1 В), щоб турбуватися, якщо ви хочете дуже стабільної напруги відсікання.

Був час, коли я вважав, що ценерові діоди чудові. Тепер я знаю, що їх немає. Власне, вони смердять. Цей діод має 4% допуск при 250 мкА, тому ви можете втратити свої 200 мВ при читанні, але це стає гірше: при 10 мкА напруга стабілітра становить лише 4,3 В, це помилка 14%. Якщо ваш вхід надходить з відносно високого джерела імпедансу, як подільник резистора, ви можете втратити верхні 700 мВ.

Більшість мікроконтролерів мають затискаючі діоди на своїх штифтах вводу / виводу:

Ви можете використовувати ці. Якщо ваш сигнал надходить від низького імпедансного виходу, вам потрібно додати серійний резистор, щоб захистити затискаючий діод від занадто високого струму. 50 мА часто визначають як абсолютний максимальний показник. Якщо ви використовуєте резистор 15 кОм, ви обмежите струм до 1 мА для входу 20 В. Фотон справедливо зазначає, що струм не повинен бути занадто високим. Це тому, що ви впорскуєте струм, де напруга надходить від регулятора напруги, і це може тільки джерело струму, а не занурювати його. Отже, якщо зовнішнє джерело впорскує струм, то навантаження регулятора має бути здатним скинути його на землю.

Як зазначає PetPaulsen , існує дискусія, чи прийнятна це практика. Лист даних може сказати, що максимальний вхід становить Vcc + 0,3 В, але може також сказати максимум 20 мА для затискаючих діодів (наприклад, цей контролер PIC . Це може означати, що падіння напруги затискаючого діода менше 0,3 В, наприклад, якщо вони «повторно Шотткі. в
будь-якому випадку, ви завжди можете використовувати свій власний зовнішній діод для затиску до Vcc. цей діод Шотток тільки падає 100 мВ при 10 мА, так що це буде затискати внесок в безпечне значення. не забувайте 15 кОм резистора для низькі джерела опору вихідного опору.

Якщо ваша вхідна напруга не стає негативною, то затискач заземлення не потрібен.