Jak zaprojektować obwód cęgów ochronnych dla wejścia ADC?

Chciałbym być w stanie chronić mój ADC przed napięciami wejściowymi wyższymi niż 5 V. Jaki jest najprostszy obwód ochronny, jaki mogłem zbudować, aby uzyskać wyjście pokazane poniżej?

Prawdopodobnie najprostszym jest prosty ogranicznik zenera:

Ograniczy to również napięcia ujemne do około -0,7 V, chociaż ten limit nie będzie dobrze kontrolowany.

Edycja: Pokazuję 100 omów przy R1. To jest tylko wartość domyślna. Chcesz mieć jak najwyższą wartość, jaką możesz użyć, biorąc pod uwagę szerokość pasma próbkowanego sygnału i bieżące potrzeby ADC. Im wyższy jest ten opór, tym mniejszy prąd zenera musi zatonąć w stanie przepięcia, więc tym mniejszy (i tańszy) może być zener. Możesz dodać kondensator równolegle do Zenera, aby połączyć go z R1, tworząc filtr antyaliasingu dla ADC.

Opcja niższego kosztu, jeśli masz szynę 5 V, która może pochłonąć wystarczającą ilość prądu, i nie przeszkadza ci, że wartość graniczna wynosi nieco powyżej 5 V:

Możesz kupić dwie diody w podwójnym pakiecie właśnie do tego celu. Jeśli chcesz, aby wartość graniczna była bliższa 5,2 V niż 5,7 V, użyj diod Schottky'ego zamiast zwykłych diod krzemowych.

Edytuj 2

Jak zauważa Steven, tutaj jest kompromis. Zener zacznie przewodzić nieznacznie przy niskim poziomie prądu, a mierzone źródło musi być w stanie zapewnić wystarczającą ilość prądu, aby doprowadzić go aż do 5 V, aby uzyskać pożądane przycięcie. Jeśli absolutnie musisz być w stanie uzyskać napięcie 5,0 V przed rozpoczęciem obcinania, możesz potrzebować, powiedzmy, zenera 5,3 V zamiast 5,0 V i upewnij się, że źródło może zapewnić co najmniej 10 uA. Wtedy oczywiście nie gwarantuje się, że napięcie spadnie poniżej 5,5 V.

Z drugiej strony połączenie diody z szyną dodatnią (moje drugie rozwiązanie, czy to przy użyciu diod zewnętrznych, czy tych, które prawdopodobnie są wbudowane w twój ADC inptus) będzie działało tylko wtedy, gdy na szynie 5 V będzie wystarczające obciążenie do zatopienia prąd dostarczany przez źródło przepięcia. W obwodzie o niskiej mocy przepięcie może doprowadzić do wyregulowania zasilania 5 V z regulacji i spowodować nieoczekiwane zachowanie w innych częściach obwodu.

Możesz ograniczyć prąd, który musi zostać zatopiony w stanie przepięcia, zwiększając wartość R1. Ale twoja zdolność do tego jest ograniczona przepustowością, którą chcesz mierzyć w swoim sygnale wejściowym i / lub prądzie wejściowym wymaganym przez ADC.

Nie jest również prawdą, że napięcie Zenera „zmienia się gwałtownie w zależności od prądu”. Bardziej słuszne byłoby stwierdzenie, że występuje niewielki prąd upływowy rzędu 10-100 uA poniżej progu zenera. Kiedy Zener wejdzie w działanie lawinowe, napięcie może być bardzo stabilne przez dziesięciolecia prądu. Oto typowy IV z rodziny On Semi zener:

Zauważ, że zenery o wyższej wartości mają lepszą stabilność niż te o niskiej wartości. Oczywiście istnieją również zmiany termiczne (1-2 mV / K typowe dla części półprzewodnikowej przy 5,1 V), o które należy się martwić, jeśli chcemy uzyskać bardzo stabilne napięcie przesterowania.

Był czas, kiedy myślałem, że diody Zenera są świetne. Teraz wiem, że nie są. W rzeczywistości śmierdzą. Ta dioda ma tolerancję 4% przy 250 µA, więc możesz stracić górne 200 mV swojego odczytu, ale staje się gorzej: przy 10 µA napięcie zenera wynosi tylko 4,3 V, to błąd 14%. Jeśli twój sygnał wejściowy pochodzi ze źródła o stosunkowo wysokiej impedancji, takiego jak dzielnik rezystora, możesz stracić górną 700 mV.

Większość mikrokontrolerów ma diody zaciskające na swoich pinach I / O:

Możesz ich użyć. Jeśli twój sygnał pochodzi z wyjścia o niskiej impedancji, powinieneś dodać rezystor szeregowy, aby zabezpieczyć diodę mocującą przed zbyt wysokim prądem. 50 mA jest często określane jako absolutna maksymalna ocena. Jeśli użyjesz rezystora 15 kΩ, ograniczysz prąd do 1 mA dla wejścia 20 V. Photon słusznie wskazuje, że prąd nie powinien być zbyt wysoki. To dlatego, że wstrzykujesz prąd tam, gdzie napięcie pochodzi z regulatora napięcia, a to może tylko źródło prądu, a nie jego pochłanianie. Więc jeśli źródło zewnętrzne wstrzykuje prąd, obciążenie regulatora powinno być w stanie spuścić go do ziemi.

Jak zauważa PetPaulsen , trwa debata, czy jest to dopuszczalna praktyka. Arkusz danych może powiedzieć, że maksymalne napięcie wejściowe wynosi Vcc + 0,3 V, ale może również powiedzieć maksymalne 20 mA dla diod mocujących (na przykład tego sterownika PIC . Może to oznaczać, że spadek napięcia diody mocującej jest mniejszy niż 0,3 V, na przykład jeśli są Schottky'ego. W
każdym razie zawsze możesz użyć własnej diody zewnętrznej do podłączenia do Vcc. Ta dioda Schottky'ego spada tylko 100 mV przy 10 mA, więc zablokuje wejście do bezpiecznej wartości. Nie zapomnij o rezystorze 15 kΩ dla źródła niskiej impedancji wyjściowej.

Jeśli napięcie wejściowe nie spadnie ujemnie, zacisk uziemienia nie jest wymagany.