ฉันจะออกแบบวงจรตัวป้องกันสำหรับอินพุต ADC ได้อย่างไร

ฉันต้องการปกป้อง ADC ของฉันจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงกว่า 5V วงจรป้องกันที่ง่ายที่สุดที่ฉันสามารถสร้างให้มีเอาต์พุตดังแสดงด้านล่างคืออะไร

สิ่งที่ง่ายที่สุดก็คือตัว จำกัด ซีเนอร์แบบง่าย:

สิ่งนี้จะ จำกัด แรงดันไฟฟ้าลบให้อยู่ที่ -0.7 V แม้ว่าข้อ จำกัด นี้จะไม่ได้รับการควบคุมอย่างดี

แก้ไข:ฉันแสดง 100 โอห์มที่ R1 นี่เป็นเพียงค่าเริ่มต้น คุณต้องการค่าที่สูงที่สุดเท่าที่จะทำได้โดยใช้แบนด์วิดท์ของสัญญาณที่คุณสุ่มตัวอย่างและความต้องการกระแสอินพุตของ ADC ของคุณ ยิ่งความต้านทานนี้สูงขึ้นเท่าไหร่กระแสซีเนอร์ก็จะต้องจมลงในสภาวะที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าดังนั้นซีเนอร์จึงมีขนาดเล็กลง (และต้นทุนต่ำกว่า) คุณอาจต้องการเพิ่มตัวเก็บประจุควบคู่กับซีเนอร์เพื่อให้รวมกับ R1 เพื่อสร้างตัวกรองการลบรอยหยักสำหรับ ADC ของคุณ

ตัวเลือกต้นทุนที่ต่ำกว่าถ้าคุณมีราง 5 V ที่สามารถจมกระแสได้เพียงพอและคุณไม่คำนึงถึงค่าขีด จำกัด ที่สูงกว่า 5 V เล็กน้อย:

คุณสามารถซื้อไดโอดสองตัวในแพ็คเกจคู่เพื่อจุดประสงค์นี้ หากคุณต้องการให้ค่า จำกัด ใกล้เคียงกับ 5.2 V มากกว่า 5.7 V ให้ใช้ไดโอด schottky แทนซิลิคอนไดโอดทั่วไป

แก้ไข 2

สตีเฟ่นชี้ให้เห็นว่ามีการแลกเปลี่ยนที่นี่ ซีเนอร์จะเริ่มทำงานที่ระดับกระแสต่ำเล็กน้อยและแหล่งที่คุณกำลังวัดจะต้องสามารถให้กระแสไฟเพียงพอที่จะขับไปจนถึง 5 V เพื่อให้ได้คลิปที่คุณต้องการ หากคุณจำเป็นต้องได้รับถึง 5.0 V ก่อนที่จะเริ่มต้นการตัดคุณอาจต้องใช้พูดว่า 5.3 V zener แทน 5.0 V และต้องแน่ใจว่าแหล่งที่มาของคุณสามารถให้อย่างน้อย 10 uA แน่นอนว่าคุณไม่รับประกันว่าจะมีคลิปต่ำกว่า 5.5 V.

บนมืออื่น ๆ , การเชื่อมต่อไดโอดกับรถไฟในเชิงบวก (สารละลายที่สองของฉันไม่ว่าจะใช้ไดโอดภายนอกหรือคนที่อาจจะได้รับการสร้างขึ้นใน inptus ADC ของคุณ) จะมีเพียงการทำงานถ้ามีโหลดเพียงพอในราว 5 V เพื่อจม ปัจจุบันจัดทำโดยแหล่งแรงดันไฟฟ้าเกิน ในวงจรไฟฟ้ากำลังต่ำแรงดันเกินอาจทำให้การจ่ายไฟ 5 V ของคุณไม่เป็นไปตามกฎระเบียบและทำให้เกิดพฤติกรรมที่ไม่คาดคิดในส่วนอื่น ๆ ของวงจร

คุณสามารถ จำกัด กระแสที่ต้องจมลงในสภาวะแรงดันไฟฟ้าเกินได้โดยการเพิ่มค่า R1 แต่ความสามารถของคุณในการทำนั้นถูก จำกัด ด้วยแบนด์วิดท์ที่คุณต้องการวัดในสัญญาณอินพุตและ / หรือกระแสอินพุตที่ ADC ต้องการ

นอกจากนี้ยังไม่เป็นความจริงที่แรงดันไฟฟ้าซีเนอร์ "เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงกับกระแสไฟฟ้า" มันจะถูกต้องมากขึ้นถ้าจะบอกว่ามีกระแสรั่วไหลเล็กน้อยตามลำดับ 10-100 uA ต่ำกว่าขีด จำกัด ซีเนอร์ เมื่อซีเนอร์เข้าสู่การทำงานของหิมะถล่มแรงดันไฟฟ้าอาจมีเสถียรภาพมากในหลายทศวรรษของกระแส นี่คือ IV ทั่วไปของตระกูล On Semi zener:

โปรดทราบว่าตัวเชื่อมค่าที่สูงกว่ามีความเสถียรที่ดีกว่าตัวลดค่าที่มีค่าต่ำ และแน่นอนว่ายังมีรูปแบบการระบายความร้อน (1-2 mV / K โดยทั่วไปสำหรับส่วน On Semi ที่ 5.1 V) ที่ต้องกังวลหากคุณต้องการแรงดันไฟฟ้าการตัดที่มั่นคงมาก

มีครั้งหนึ่งที่ฉันคิดว่าไดโอดซีเนอร์นั้นยอดเยี่ยม ตอนนี้ฉันรู้แล้วว่าพวกเขาไม่ได้ แท้จริงแล้วพวกเขามีกลิ่นเหม็น ไดโอดนี้มีความทนทาน 4% ที่ 250 µA ดังนั้นคุณอาจสูญเสียการอ่านสูงสุด 200 mV แต่แย่ลง: ที่ 10 µA แรงดันซีเนอร์มีเพียง 4.3 V นั่นเป็นข้อผิดพลาด 14% หากอินพุตของคุณมาจากแหล่งอิมพีแดนซ์ที่ค่อนข้างสูงเช่นตัวต้านทานตัวต้านทานคุณอาจสูญเสียสูงสุด 700 mV

ไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่มีไดโอดหนีบบนหมุด I / O:

คุณสามารถใช้สิ่งเหล่านั้น หากสัญญาณของคุณมาจากเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำคุณจะต้องเพิ่มตัวต้านทานแบบอนุกรมเพื่อป้องกันไดโอดแคลมป์กับกระแสที่สูงเกินไป 50 mA มักจะถูกระบุไว้เป็นคะแนนสูงสุดแอบโซลูท หากคุณใช้ตัวต้านทาน 15 kΩคุณจะ จำกัด กระแสเป็น 1 mA สำหรับอินพุต 20 V โฟตอนอย่างถูกต้องชี้ให้เห็นว่ากระแสไม่ควรสูงเกินไป นั่นเป็นเพราะคุณกำลังฉีดกระแสไฟฟ้าที่แรงดันมาจากตัวควบคุมแรงดันและนั่นจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเท่านั้นไม่ได้จม ดังนั้นหากแหล่งภายนอกฉีดกระแสไฟฟ้าของโหลดของตัวควบคุมควรจะสามารถระบายลงไปที่พื้น

ในฐานะที่เป็นPetPaulsenชี้ออกมีอภิปรายว่านี่คือการปฏิบัติที่ได้รับการยอมรับ แผ่นข้อมูลอาจจะบอกว่าการป้อนข้อมูลสูงสุดคือ Vcc + 0.3 V แต่มันอาจจะยังพูดสูงสุด 20 mA สำหรับไดโอดหนีบ (เช่นนี้คอนโทรลเลอร์ PIC . นั่นอาจหมายความว่าหนีบแรงดันไดโอดลดลงน้อยกว่า 0.3 V เช่นถ้าพวกเขา 's Schottky's ต่อไป
คุณสามารถใช้ไดโอดภายนอกของคุณเองเพื่อหนีบกับ Vcc เสมอไดโอด Schottky นี้ลดลงเพียง 100 mV ที่ 10 mA ดังนั้นมันจะยึดอินพุตเป็นค่าที่ปลอดภัยอย่าลืมตัวต้านทาน 15 kΩสำหรับ แหล่งความต้านทานเอาต์พุตต่ำ

หากแรงดันอินพุตของคุณไม่ไปเป็นลบก็ไม่จำเป็นต้องใช้แคลมป์พื้นดิน