Bagaimana saya mendesain sirkuit clipper perlindungan untuk input ADC?

20

Saya ingin dapat melindungi ADC saya dari tegangan input yang lebih tinggi dari 5V. Apa sirkuit perlindungan paling sederhana yang bisa saya bangun untuk memiliki output seperti yang ditunjukkan di bawah ini?

masukkan deskripsi gambar di sini

waspinator
sumber

Jawaban:

19

Mungkin yang paling sederhana adalah zener limiter sederhana:

masukkan deskripsi gambar di sini

Ini juga akan membatasi tegangan negatif hingga -0,7 V, meskipun batas ini tidak akan dikontrol dengan baik.

Sunting: Saya menampilkan 100 Ohm di R1. Ini hanya nilai default. Anda ingin nilai setinggi yang dapat Anda gunakan, mengingat bandwidth sinyal yang Anda sampel dan input kebutuhan ADC Anda saat ini. Semakin tinggi resistansi ini, semakin rendah arus yang perlu ditenggelamkan dalam kondisi tegangan berlebih, sehingga semakin kecil (dan lebih murah) zener tersebut. Anda mungkin ingin menambahkan kapasitor secara paralel dengan zener sehingga bergabung dengan R1 untuk membentuk filter anti-aliasing untuk ADC Anda.

Opsi biaya yang lebih rendah jika Anda memiliki rel 5 V yang dapat menenggelamkan arus yang cukup, dan Anda tidak keberatan dengan nilai batas yang sedikit di atas 5 V:

masukkan deskripsi gambar di sini

Anda dapat membeli dua dioda dalam paket ganda untuk tujuan ini. Jika Anda ingin nilai batas lebih dekat 5,2 V dari 5,7 V, gunakan dioda schottky alih-alih dioda silikon biasa.

Edit 2

Seperti yang ditunjukkan Steven, ada pertukaran di sini. Zener akan mulai melakukan sedikit pada level saat ini yang rendah, dan sumber yang Anda ukur perlu dapat menyediakan arus yang cukup untuk mengendarainya hingga 5 V untuk mendapatkan kliping yang Anda inginkan. Jika Anda benar-benar harus bisa mencapai 5,0 V sebelum kliping dimulai, Anda mungkin perlu menggunakan, katakanlah, zener 5,3 V bukannya 5,0 V, dan pastikan sumber Anda dapat menyediakan setidaknya 10 uA. Maka tentu saja Anda tidak dijamin untuk klip di bawah 5,5 V.

Di sisi lain, koneksi dioda ke rel positif (solusi kedua saya, apakah menggunakan dioda eksternal atau yang mungkin dibangun ke dalam ADC Anda) hanya akan berfungsi jika ada cukup beban pada rel 5 V untuk menenggelamkan saat ini disediakan oleh sumber tegangan lebih. Dalam sirkuit berdaya rendah, tegangan lebih dapat menyebabkan suplai 5 V Anda keluar dari regulasi dan menyebabkan semua jenis perilaku tak terduga di bagian lain dari sirkuit Anda.

Anda dapat membatasi arus yang perlu tenggelam dalam kondisi tegangan lebih dengan meningkatkan nilai R1. Tetapi kemampuan Anda untuk melakukan itu dibatasi oleh bandwidth yang Anda inginkan untuk dapat mengukur sinyal input Anda dan / atau arus input yang dibutuhkan oleh ADC Anda.

Itu juga tidak benar bahwa tegangan zener "bervariasi dengan arus". Akan lebih tepat untuk mengatakan ada arus bocor kecil, pada urutan 10-100 uA, di bawah ambang batas zener. Setelah zener memasuki operasi longsoran, tegangan bisa sangat stabil selama beberapa dekade saat ini. Inilah IV khas keluarga On Semi zener:

masukkan deskripsi gambar di sini

Perhatikan bahwa zener bernilai lebih tinggi memiliki stabilitas yang lebih baik daripada zen bernilai rendah. Dan tentu saja ada juga variasi termal (1-2 mV / K khas untuk bagian On Semi di 5.1 V) yang perlu dikhawatirkan jika Anda ingin tegangan kliping yang sangat stabil.

Foton
sumber
terima kasih, saya akan mencobanya. apakah ada alasan di balik nilai resistor? Dioda zener dihubungkan hingga 5V kan? Apakah ada dioda lama yang berfungsi untuk opsi kedua? Apa yang terjadi jika saya tidak bisa mendapatkan cukup arus untuk pasokan 5V? Juga perangkat lunak apa yang Anda gunakan untuk membuat diagram? Mereka terlihat hebat.
waspinator
Nilai resistor akan tergantung pada impedansi input (atau kebutuhan input saat ini) dari ADC Anda, laju sampling, dan bandwidth yang dibutuhkan dari sinyal input yang Anda ukur. 100 hanyalah nilai default di editor circuitlab.
The Photon
Juga, zener tidak terhubung hingga 5 V. Ini terhubung seperti yang ditunjukkan dalam skema (katoda ke garis sinyal, anoda ke ground).
The Photon
1
Dan akhirnya, saya membuat skema di circuitlab.com. Bagus untuk rangkaian sederhana tetapi membuat frustrasi ketika Anda menginginkan komponen yang tidak ada di pustaka mereka (seperti ADC).
The Photon
1
@waspinator, Anda menggunakan persediaan yang sama dengan yang memasok ADC Anda. Arus yang berasal dari kondisi tegangan lebih perlu ditenggelamkan melalui pin pasokan ADC dan bagian lain di sirkuit Anda.
The Photon
15

Ada suatu masa ketika saya pikir dioda zener hebat. Sekarang saya tahu mereka tidak. Bahkan mereka bau. Dioda ini memiliki toleransi 4% pada 250 μA, jadi Anda mungkin kehilangan 200 mV teratas dari bacaan Anda, tetapi semakin buruk: pada 10 μA tegangan zener hanya 4,3 V, itu kesalahan 14%. Jika input Anda berasal dari sumber impedansi yang relatif tinggi, seperti pembagi resistor, Anda mungkin kehilangan 700 mV teratas.

Sebagian besar mikrokontroler memiliki dioda penjepit pada pin I / O mereka:

masukkan deskripsi gambar di sini

Anda bisa menggunakannya. Jika sinyal Anda berasal dari output impedansi rendah, Anda ingin menambahkan resistor seri untuk melindungi dioda penjepit terhadap arus yang terlalu tinggi. 50 mA sering ditentukan sebagai Absolute Maximum Rating Jika Anda menggunakan resistor 15 kΩ, Anda akan membatasi arus hingga 1 mA untuk input 20 V. Foton dengan tepat menunjukkan bahwa arus tidak boleh terlalu tinggi. Itu karena Anda menyuntikkan arus di mana tegangan berasal dari regulator tegangan, dan itu hanya dapat sumber arus, bukan tenggelam. Jadi, jika sumber eksternal menyuntikkan arus, beban regulator harus dapat mengalirkannya ke tanah.

Seperti yang ditunjukkan PetPaulsen, ada perdebatan apakah ini praktik yang dapat diterima. Lembar data dapat mengatakan input maksimum adalah Vcc + 0,3 V, tetapi juga dapat mengatakan maksimum 20 mA untuk dioda penjepit (misalnya pengontrol PIC ini . Itu mungkin berarti bahwa penurunan tegangan dioda penjepit kurang dari 0,3 V, misalnya jika mereka Sedang Schottky.
Pokoknya, Anda selalu dapat menggunakan dioda eksternal Anda sendiri untuk menjepit ke Vcc. Diode Schottky ini hanya menjatuhkan 100 mV pada 10 mA, sehingga akan menjepit input ke nilai yang aman. Jangan lupa resistor 15 kΩ untuk sumber impedansi keluaran rendah.

Jika voltase input Anda tidak negatif, maka ground clamp tidak diperlukan.

stevenvh
sumber
Saat Anda menggunakan dioda penjepit pada mikrokontroler, jangan Anda melanggar (dalam kebanyakan kasus) Penilaian Maksimum Mutlak dari tegangan input pin? Saya memiliki jawaban Russell dalam pikiran (gulir ke bawah ke bagian 'Zener clamp' dan 'Protection Diodes').
PetPaulsen
@PetPaulsen - memperbarui jawaban saya.
stevenvh
di mana saya dapat sumber Vcc untuk dioda clipper? apakah sumber port USB atau mikrokontroler ok?
waspinator
1
@ autpinator - Vcc tempat clamping diode pergi harus sama dengan Vcc yang memberi kekuatan pada perangkat ADC Anda (saya kira itu akan menjadi mikrokontroler). Jika Anda menyalakan mikrokontroler dari USB 5 V, maka dioda penjepit akan menuju ke sana.
stevenvh
@ThePhoton Ketika Anda dan Steven menunjukkan bahwa terlalu banyak arus dapat menyebabkan masalah dengan regulator tegangan pada rel positif, apakah ini juga berlaku untuk penjepit pembumian yang mengurangi undershoots?
Saad