Wejście 12 V na GPIO 3,3 V, TVS ściągnięty lub Schottky?

Buduję swój własny sterownik PLC, który musi przyjmować stałe wejścia do 30 V DC w STM32F z wejściami 3,3 V.

Przełączane wejście będzie musiało pracować z napięciem 8-30 V, ale w 90% przypadków napięcie wejściowe będzie ustalone na 12 V lub 24 V. Wejściami będą zawsze przełączniki, takie jak wyłączniki krańcowe, więc nie przejmuję się wykrywaniem wejścia mniejsze niż 8 V lub wejścia z czujników itp. Nie martwię się również o prędkość, ponieważ realistycznie najszybsze przełączniki poruszają się co 1 s; Muszę tylko upewnić się, że mój mikrokontroler jest chroniony.

Chcę uniwersalnego obwodu, którego mogę używać w wielu produktach / projektach podobnych typów, więc liczba komponentów, koszt i przestrzeń na płytce drukowanej musi być minimalna, więc tak naprawdę nie chcę używać transoptorów.

Dwóch inżynierów elektroników zaleciło następujące, ale nie jestem pewien, jaki sposób jest najlepszy:

Czy powinienem używać górnego czy dolnego? Dlaczego?

W rzeczywistości jest to odwieczny problem ze sterownikami PLC i nie jest tak prosty, jak zamierzone rozwiązania.

Największym problemem, jaki masz, jest to, że ma również szeroki zakres potencjalnych napięć logicznych, z którymi musisz sobie poradzić, rzeczywiste poziomy logiczne mogą być znacznie wyższe niż szyna 3,3 V, której używasz wewnętrznie. Niektóre czujniki i urządzenia mają progi logiczne powyżej 5 V. Jako takie, po prostu użycie obwodu odcięcia, jak wskazałeś, nie wykrywa niskiego poziomu z takich czujników.

Stopień wejściowy sterowników PLC musi być znacznie bardziej elastyczny.

Nawet jeśli dopuszczalny jest niski poziom logiczny, w każdym z obwodów występują różne problemy.

Ograniczanie Zenera / TVS.

Obwód ten ma tę zaletę, że dla znanego napięcia wejściowego zenera można tak dobrać, aby nigdy nie pozwalał, aby napięcie przekroczyło napięcie szyny. Zwykle wybrałbyś zenera o mniejszym napięciu wstecznym niż szyna, ale wyższym niż próg logiczny wysokiego poziomu.

Jednak zener spędza wiele swojego życia na odwróceniu, ponieważ płacisz karę w postaci czasu powrotu do tyłu, gdy sygnał wejściowy spada, co opóźnia twój sygnał smidge.

Innym problemem związanym z Zenerem jest faktyczne napięcie, przy którym będzie on ograniczany, zależy od prądu przez niego przepływającego. Jako takie napięcie będzie do pewnego stopnia zależeć od napięcia sygnału. Dlatego należy zaprojektować rezystor dla maksymalnego napięcia wejściowego i ponownie obliczyć dla niższych napięć, aby sprawdzić, czy zener nie ogranicza napięcia poniżej poziomu .$V_{IH}$

Dioda ograniczająca nadziemną

Zastosowanie diody do szyny powoduje, że napięcie wyjściowe nadal będzie przekraczało Vcc, choćby tylko nieznacznie. Może to jednak nadal mieć negatywny wpływ na dane wejściowe. Ponadto, w tym przypadku czas powrotu do tyłu oznacza, że ​​w przypadku szybkich krawędzi wejściowych wysokie napięcie bardzo szybko je przebije.

Więc

Ponieważ oba te obwody mają na wejściu wysoki rezystor, oba wymagają, aby cokolwiek napędzało wejście, aby miało niską impedancję wyjściową. Spośród nich wersja zenera zapewnia lepszą ochronę, ale kosztem wydajności. Żadne z nich nie będzie działać, jeśli podłączonego czujnika> 1,5 V lub więcej.$V_{OL}$

Alternatywy

Opto-sprzęgło.

Powszechną metodą stosowaną przez sterowniki PLC jest użycie opto-sprzęgaczy.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Ta metoda zapewnia dodatkową korzyść izolacji i separacji gruntu. Problem polega na tym, że potrzebujesz jakiejś formy kondycjonowania sygnału między czujnikiem a wejściem, aby mieć pewność, że dioda LED zaświeci się na odpowiednim progu, i że przez diodę LED zostanie doprowadzona odpowiednia ilość prądu. Kondycjonowanie to może być pokazanym powyżej prostym rezystorem lub złożonym obwodem, który zawiera pewnego rodzaju komparator.

Prędkość opto-sprzęgacza jest również czynnikiem ograniczającym. Jednak ta metoda jest powszechnie stosowana, ponieważ zapewnia pełną elastyczność.

Kondycjonowanie wejścia analogowego

Inną metodą jest przyjęcie sygnału w formie analogowej, porównanie go do zmiennej odniesienia z histerezą i wygenerowanie w ten sposób poziomu logicznego.

^{zasymuluj ten obwód}

Oczywiście komponenty, w tym komparator, muszą być dobrane tak, aby uwzględnić maksymalne napięcia wejściowe. Pokazany obwód jest dość prosty, może stać się znacznie bardziej złożony z filtrami, regulatorami, ochroną ESD itp.

Połączenie

Ze względów izolacyjnych można połączyć powyższe i mieć moc porównawczą sterownika stałoprądowego na diodę optycznego złącza.

Gdybym opracowywał produkt, montowałbym to wszystko na małym module wtykowym, który można by podłączyć do gniazd na krawędzi karty na płycie „matki”, tak jak w przypadku kart w komputerach PC. W ten sposób możesz je łatwo wymienić, jeśli się usmażysz. Ta metoda umożliwia także udostępnianie innych typów danych wejściowych, na przykład danych światłowodowych.

100k to zdecydowanie za dużo. Wywołałoby to prawie każdą operację przekaźnika lub przełączania w pobliżu. Niezupełnie niezawodny dla PLC, jeśli mnie pytasz.

W rzeczywistości istnieją standardy i przepisy dotyczące sterowników PLC . Ponieważ chciałbyś, aby wszyscy dostawcy PLC zachowywali się podobnie w instalacjach, byłoby miło, gdyby różne modele mogły być ze sobą połączone bez problemów.

Na przykład wejście uważa, że ​​jest włączone tylko wtedy, gdy tonie co najmniej ~ 2 mA i jest powyżej 10 V. (IEC 61131-2)

Nie da się tego zrobić dokładnie z pasywnymi, dlatego istnieją części takie jak SN65HVS880.

W mojej poprzedniej odpowiedzi podałem schematyczny przykład, w jaki sposób możesz spróbować zbliżyć się do tego zachowania za pomocą pasywnych *.

Proste 100K i BAT54S nie będą niezawodne, mogę to powiedzieć z doświadczenia.

poprzednia odpowiedź

* oddzielny spust Schmitta nie jest konieczny

Oba są dopuszczalne. Musisz upewnić się, że rezystor ma odpowiedni rozmiar, aby prąd wejściowy nie powodował spadku napięcia wejściowego poniżej V_IH, ale w przypadku CMOS jest to banalne, ponieważ prąd wejściowy jest tak mały (100k jest prawie na pewno w porządku)

Po drugie, jedynym zastrzeżeniem jest to, że musisz upewnić się, że całkowite obciążenie na 3,3 V nigdy nie jest mniejsze niż 30 V / 100 k (razy tyle, ile masz wejść), w przeciwnym razie szyna 3,3 V może zostać podniesiona do napięcie, które może uszkodzić znajdujące się na nim urządzenia. Jeśli przełączysz mikro w tryb uśpienia, może to trochę narysować.

Drugim zastrzeżeniem jest to, że w obu przypadkach rezystor 100k działa z pojemnością wejściową jako filtr dolnoprzepustowy, który spowalnia wejścia. Jeśli pojemność wejściowa wynosi 10 pF, będą one miały maksymalną szybkość przełączania około 100 kHz i opóźnienie około 2 mikrosekund.