อินพุต 12 V บน 3.3 V GPIO, TVS ถูกดึงลงหรือ Schottky pull up?

ฉันกำลังสร้าง PLC ของตัวเองที่ต้องยอมรับอินพุตถาวรสูงถึง 30 V DC ใน STM32F พร้อมอินพุต 3.3 V

อินพุตที่ถูกสับเปลี่ยนจะต้องทำงานกับ 8-30 V แต่ 90% ของเวลาแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะถูกกำหนดไว้ที่ 12 V หรือ 24 V. อินพุตจะเป็นสวิตช์เช่นลิมิตสวิตช์เท่านั้นดังนั้นฉันจึงไม่ใส่ใจเกี่ยวกับการตรวจจับ อินพุตน้อยกว่า 8 V หรืออินพุตจากเซ็นเซอร์ ฯลฯ ฉันไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับความเร็วเนื่องจากสวิทช์ที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดคือทุก 1 วินาที ฉันแค่ต้องแน่ใจว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ของฉันได้รับการปกป้อง

ฉันต้องการวงจรสากลที่ฉันสามารถใช้กับผลิตภัณฑ์ / โครงการประเภทเดียวกันหลายรายการดังนั้นการนับส่วนประกอบต้นทุนและพื้นที่ PCB ต้องเป็นอย่างน้อยที่สุดดังนั้นฉันจึงไม่ต้องการใช้ออปโตคัปเปลอร์จริงๆ

วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์สองคนได้แนะนำสิ่งต่อไปนี้ แต่ฉันก็ไม่แน่ใจเหมือนกันว่าวิธีใดดีที่สุด:

ฉันควรใช้ตัวท็อปท็อปหรืออันล่าง? ทำไม?

นี่เป็นปัญหาเก่าแก่ของ PLC และไม่ง่ายอย่างที่คุณต้องการ

ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดที่คุณมีก็คือการมีแรงดันไฟฟ้าลอจิกที่หลากหลายที่คุณจำเป็นต้องจัดการระดับตรรกะที่แท้จริงอาจสูงกว่าราว 3.3V ที่คุณใช้ภายใน เซ็นเซอร์และอุปกรณ์บางตัวมีขีด จำกัด ลอจิกสูงกว่า 5V เช่นใช้วงจรตัดตามที่คุณระบุจะไม่ตรวจจับระดับต่ำจากเซ็นเซอร์ดังกล่าว

ขั้นตอนการป้อนข้อมูลของ PLC จำเป็นต้องมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

แม้ว่าระดับลอจิกระดับต่ำจะเป็นที่ยอมรับวงจรเหล่านี้แต่ละคนจะประสบปัญหาต่าง

การ จำกัด Zener / TVS

วงจรนี้มีประโยชน์ที่สำหรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่รู้จักซีเนอร์สามารถปรับขนาดได้เพื่อไม่ให้แรงดันเกินแรงดันราง โดยทั่วไปคุณจะเลือกซีเนอร์ที่มีแรงดันย้อนกลับที่เล็กกว่าราง แต่สูงกว่าเกณฑ์ลอจิกระดับสูง

อย่างไรก็ตามซีเนอร์จะใช้จ่ายจำนวนมากของชีวิตมันลำเอียงย้อนกลับเช่นคุณจ่ายค่าปรับในรูปแบบของเวลาการกู้คืนย้อนกลับเมื่อสัญญาณอินพุตลดลงซึ่งจะชะลอสัญญาณของคุณ smidge

ปัญหาอื่น ๆ ของ Zener คือแรงดันไฟฟ้าที่แท้จริงซึ่งจะ จำกัด ที่ขึ้นอยู่กับกระแสผ่าน เช่นนี้แรงดันไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับแรงดันสัญญาณในระดับหนึ่ง คุณต้องออกแบบตัวต้านทานสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดและคำนวณใหม่สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเพื่อดูว่าซีเนอร์ไม่ จำกัด แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าระดับคุณหรือไม่$V_{IH}$

Over-Rail Limit Diode

การใช้ไดโอดจนถึงรางมีปัญหาว่าแรงดันเอาต์พุตจะยังคงเกิน Vcc ไม่ว่าจะน้อยเพียงใดก็ตาม อย่างไรก็ตามนั่นยังสามารถเป็นอันตรายต่ออินพุต นอกจากนี้ในกรณีนี้เวลาการกู้คืนแบบย้อนกลับหมายถึงสำหรับขอบเข้าที่รวดเร็วแรงดันไฟฟ้าสูงจะทำให้ผ่านช่วงเวลาสั้น ๆ

ดังนั้น

เนื่องจากวงจรทั้งสองนี้มีตัวต้านทานสูงที่อินพุตดังนั้นทั้งสองวงจรจึงต้องการอะไรก็ตามที่ผลักดันให้อินพุตมีความต้านทานเอาต์พุตต่ำ ในทั้งสองเวอร์ชั่นซีเนอร์ให้การป้องกันที่ดีกว่า แต่ด้วยต้นทุนประสิทธิภาพ ทั้งคู่จะไม่ทำงานหากของเซ็นเซอร์ที่ติดตั้ง> 1.5V หรือมากกว่านั้น$V_{OL}$

ทางเลือก

ออปโตคลัป

วิธีการทั่วไปที่ใช้โดย PLCs คือการใช้ opto-couplers

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

วิธีนี้ให้ประโยชน์เพิ่มเติมจากการแยกและการแยกดิน ปัญหาคือคุณต้องการรูปแบบการปรับสภาพสัญญาณบางอย่างระหว่างเซ็นเซอร์และอินพุตเพื่อให้แน่ใจว่าไฟ LED ติดสว่างอยู่ที่เกณฑ์ที่ถูกต้องและปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ถูกต้องจะถูกป้อนผ่าน LED การปรับสภาพนั้นอาจเป็นตัวต้านทานอย่างง่ายที่แสดงด้านบนหรือวงจรที่ซับซ้อนซึ่งรวมถึงตัวเปรียบเทียบบางประเภท

ความเร็วของ opto-coupler ก็เป็นปัจจัย จำกัด เช่นกัน อย่างไรก็ตามวิธีนี้ใช้กันทั่วไปเพราะให้ความยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์

การปรับสภาพอินพุตอนาล็อก

อีกวิธีหนึ่งคือการรับสัญญาณในรูปแบบอะนาล็อกเปรียบเทียบกับการอ้างอิงตัวแปรกับฮิสเทรีซิสและสร้างระดับตรรกะในวิธีนั้น

^{จำลองวงจรนี้}

เห็นได้ชัดว่าส่วนประกอบต่างๆรวมถึงเครื่องมือเปรียบเทียบจะต้องได้รับการคัดเลือกเพื่อรองรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงสุด วงจรที่แสดงค่อนข้างเรียบง่ายสามารถซับซ้อนได้มากขึ้นด้วยฟิลเตอร์, ตัวควบคุม, การป้องกัน ESD เป็นต้น

การรวมกัน

สำหรับเหตุผลด้านการแยกคุณสามารถรวมข้างต้นและมีตัวเปรียบเทียบกำลังขับกระแสคงที่ไปยัง LED ของ opto-coupler

หากฉันกำลังพัฒนาผลิตภัณฑ์ฉันจะรวบรวมทุกสิ่งที่อยู่ในโมดูลปลั๊กอินขนาดเล็กที่สามารถเสียบเข้ากับซ็อกเก็ตขอบการ์ดบนบอร์ด "แม่" เช่นเดียวกับที่ใช้กับการ์ดในพีซี ด้วยวิธีนี้คุณสามารถแทนที่พวกเขาได้อย่างง่ายดายหากได้รับการทอด วิธีดังกล่าวยังช่วยให้คุณทำให้ประเภทอินพุตอื่น ๆ พร้อมใช้งานเช่นอินพุตใยแก้วนำแสง

100k นั้นสูงเกินไป มันจะทริกเกอร์จากเกือบทุกรีเลย์หรือการสลับการทำงาน ไม่น่าเชื่อถือสำหรับ PLC หากคุณถามฉัน

มีจริงมาตรฐานและกฎระเบียบสำหรับ PLC เนื่องจากคุณต้องการให้ผู้ขาย PLC ทุกคนมีพฤติกรรมคล้ายกันในการติดตั้งและมันจะดีถ้ารุ่นต่าง ๆ สามารถเชื่อมต่อกันได้โดยไม่มีปัญหา

ตัวอย่างเช่นอินพุตจะพิจารณาว่าเป็นเปิดเมื่อกำลังจมอย่างน้อย ~ 2 mA และสูงกว่า 10V (IEC 61131-2)

คุณไม่สามารถเข้าใจสิ่งนี้ได้อย่างแม่นยำด้วย passives ซึ่งเป็นสาเหตุที่มีส่วนต่าง ๆ เช่น SN65HVS880

ในคำตอบก่อนหน้าของฉันฉันได้รับตัวอย่างวงจรเกี่ยวกับวิธีที่คุณสามารถพยายามเข้าใกล้พฤติกรรมนี้ด้วย passives *

ง่าย ๆ 100K และ BAT54S จะไม่น่าเชื่อถือฉันสามารถบอกคุณได้จากประสบการณ์

คำตอบก่อนหน้า

* ทริกเกอร์ schmitt แยกไม่จำเป็น

ทั้งสองเป็นที่ยอมรับ คุณจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวต้านทานมีการปรับขนาดอย่างถูกต้องเพื่อให้กระแสอินพุตไม่ทำให้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าลดลงต่ำกว่า V_IH แต่ด้วย CMOS นี่เป็นเรื่องเล็กน้อยเนื่องจากกระแสอินพุตมีขนาดเล็กมาก (100k ค่อนข้างแน่นอน)

ด้วยประการที่สองข้อแม้เดียวคือคุณจะต้องแน่ใจว่าภาระทั้งหมดบน 3.3v นั้นไม่น้อยกว่า 30V / 100k (เท่าของอินพุตที่คุณมี) ไม่เช่นนั้น 3.3 V รางอาจถูกดึงขึ้นไป แรงดันไฟฟ้าที่อาจทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ หากคุณนำไมโครเข้าสู่โหมดสลีป

ข้อแม้อื่น ๆ คือในทั้งสองกรณีตัวต้านทาน 100k ทำหน้าที่กับความจุอินพุตเป็นตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำซึ่งทำให้อินพุตช้าลง หากมีความจุอินพุต 10pF พวกเขาจะมีอัตราการสลับสูงสุดประมาณ 100kHz และความล่าช้าประมาณ 2 microseconds