Wie ist diese Schaltung für die Verbindung von 20V-Signal mit 3v3-Mikrocontroller

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Ich habe die folgende Schaltung entworfen, um ein 12-20-V-Signal an einen Mikrocontroller anzuschließen, der mit 3,3 Volt betrieben wird. Das Signal ist entweder 20 V oder offener Stromkreis.

Ich möchte, dass die Schaltung so belastbar wie möglich ist. Es sollte in der Lage sein, mit EMI und ESD umzugehen.

Schaltkreis

  • R1 soll den Strom begrenzen und den Transistor vorspannen.
  • C1 soll ein Tiefpassfilter implementieren.
  • R2 wird verwendet, um die Transistorbasis herunterzuziehen und den Kondensator C1 zu entladen. Der 20-V-Eingang ist entweder 20 V oder ein offener Stromkreis.
  • D1 dient zum Schutz des Transistors vor negativer Spannung an der Basis.
  • R3 dient zum Hochziehen des Mikrocontroller-Pins.

Kommentare und Verbesserungen zu dieser Schaltung sind willkommen.

Nebenfrage: Was ist die maximale positive Spannung, die dieser Transistor tolerieren kann? Das Datenblatt gibt an, dass der maximale Basisstrom 100 mA beträgt. Wenn die Basis auf 0,7 Volt gehalten wird, kann der Eingang bis zu 1000 Volt (10 kOhm * 100 mA) betragen. Wenn der Eingang jedoch 1000 Volt beträgt, macht der Potentialteiler die Spannung zur Basis bei 500 Volt. Und die maximale Vcb gemäß Datenblatt beträgt 60 Volt.

microcontroller pic transistors bjt Hassan Nadeem
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Die Basis-Emitter-Diode lädt den Widerstandsteiler und begrenzt seine Ausgangsspannung auf etwa 0,7 V. Im Fall einer hohen Eingangsspannung können Sie R2 für die Berechnung der Eingangsspannung vernachlässigen. Der Strom durch R2 beträgt ca. 0,7 / 10k = 70uA, daher hängt die Eingangsspannung in der Praxis nur von 100mA × 10k ab. Seien Sie jedoch vorsichtig mit der vollständigen Verlustleistung.
Jippie
Die Diode ist in Sperrrichtung vorgespannt. Sie soll bei negativer Spannung leiten. Ich brauche sowieso R2, um den Kondensator zu entladen.
Hassan Nadeem
Ich schreibe über die interne Basis zur Emitterdiode. Kennen Sie die Funktionsweise eines BJT?
Jippie
@jippie mein schlechtes ich dachte du sprichst über D1.
Hassan Nadeem
Ich bin auch sehr an der Schnittstelle zwischen Autobatterie und Generatorsignal interessiert. Haben Sie überlegt, Optokoppler zu verwenden? Sie sind im Grunde die gleichen wie das, was Sie hier haben, eine BJT-artige Oberfläche. Ich beabsichtige, einen einfachen Spannungsteiler mit Überspannungsklemmung der Zenerdiode (nach dem Teiler!) Und ausreichend hohen Widerstandswerten zu verwenden, damit die Zenerdiode in diesem Fall längere "EIN" -Bedingungen überlebt. Ich werde auch einen niedrigen ESR-Filterkondensator an jedem Eingang haben, um Spannungsspitzen zu behandeln ...
KyranF

Antworten:

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Sieht gut für mich aus. Die inverse Diode D1 ist eine gute Idee. Wenn Sie mindestens 12 V zur Verfügung haben, können Sie R2 etwas reduzieren. Diese Schaltung hat einen Schwellenwert von vielleicht 2 V, Sie könnten R2 leicht halbieren oder R1 verdoppeln.

Im Falle einer momentanen extremen Überspannung steigt die Basis-Emitter-Spannung (in Vorwärtsrichtung vorgespannt) selbst bei 100 mA nicht über ein Volt oder so an. Es sieht aus wie eine andere Diode invers parallel zu D1. Einer der Vorteile eines BJT in dieser Anwendung. Die Einschränkung ist eher die Nennspannung von R1.

Wenn Sie eine anhaltende Überspannung berücksichtigen möchten , müssen Sie möglicherweise die Nennleistung von R1 berücksichtigen. Wenn ein Idiot es an das Stromnetz anschließt (wir können normalerweise davon ausgehen, dass etwa 240 V Wechselstrom die meisten Spannungs-Idioten sind, die Zugang zu Idioten haben, die Zugang zu höheren Spannungen haben, ist eine Art selbsteliminierendes Problem), dann würde R1 fast 6 W verbrauchen, also müsste ein physisch großer Teil sein. Sie können dieses Problem lösen, indem Sie den Wert von R1 erhöhen, sodass ein kleinerer Teil verwendet werden kann.

Spehro Pefhany
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Die einzige Überspannungsquelle ist EMI. Ich denke also, dass Standardwiderstände in Ordnung funktionieren würden. Ich bin dem ersten Absatz Ihres Kommentars nicht gefolgt. Ich habe zwar mindestens 12 V zur Verfügung (es kommt von einer Autobatterie), aber ich verstehe nicht, was das Reduzieren von R2 bewirken würde. Möchtest du das näher erläutern?
Hassan Nadeem
Es schaltet auf ungefähr 2 V, was etwas niedrig ist (6 V sollten für eine Autobatterie ausreichend niedrig sein). Vielleicht möchten Sie den Schwellenwert auf 4 V oder so verschieben. Es fügt ein bisschen Störfestigkeit hinzu. Oft sehen Sie aus diesem Grund einen Serien-Zener in industriellen Schaltkreisen, aber ich denke, in diesem Fall ist es in Ordnung, nur einen Widerstand 2: 1 zu ändern.
Spehro Pefhany
@SpehroPefhany LOL über die selbsteliminierenden Idioten. Der einzige zusätzliche Kommentar ist die Antwortzeit. Bei den relativ großen Kappen- und Widerstandswerten möchte der OP möglicherweise sicherstellen, dass die Schaltung schnell genug für die Anwendung reagiert. Er erwähnt ausdrücklich die Tiefpassfilterung, so dass er sie wahrscheinlich bereits in Betracht gezogen hat, aber es kann nicht schaden, sie noch einmal zu überprüfen.
John D
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Ich habe selbst einmal eine sehr ähnliche Schaltung entworfen, als ich einige "robuste" Eingänge brauchte. Ich habe jedoch R1 = R2 = 100k (anstatt 10k) verwendet. Es braucht wirklich nicht viel Eingangsstrom, um Q1 mit R3 = 10K zu sättigen. Reduzieren Sie C1 um den gleichen Faktor, wenn Sie die gleiche Eckfrequenz beibehalten möchten.

Wenn Sie eine Hysterese wünschen, um die Schalteigenschaften zu verbessern, können Sie einen 100Ω-Widerstand zwischen den Emitter und die Masse von Q1 legen und dann das untere Ende von R2 an diesen Übergang binden.

Dave Tweed
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+1 für die Methode zum Hinzufügen von Hysterese. Es ist erstaunlich, was das bloße Flüstern von positivem Feedback bewirken kann, um langsame und / oder verrauschte Eingaben zu beruhigen.
Russell McMahon
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Die Schaltung sieht für eine nicht zu anspruchsvolle Verwendung in Ordnung aus.
Bei extremen Extremen kann es stottern.

Der Frequenzgang auf das Eingangssignal und akzeptable Anstiegs- und Abfallzeiten wurden nicht angegeben und müssen, falls wichtig, bekannt sein.

Vbe von Q1 klemmt die Basis bei ~ = 1 V max.
Ibe kann begrenzt werden, indem beispielsweise zwei Dioden vom R1-R2-Übergang zur Masse und ein kleiner Widerstand (z. B. 100 Ohm) von diesem Punkt zur Q1-Basis verwendet werden, so dass die Dioden massive Vin-Transienten auf etwa 1,5 bis 2 V klemmen und die Transistorklemmenbasis zu sagen 0,7V.
Beispiel: Wenn ein Transient den Eingang auf 1000 V ansteuert, ist I_R1 = 100 mA.
Wenn zwei Dioden das untere Ende von R1 oben mit 2
V klemmen , beträgt der Basisstrom (2 V - Vbe) / 100 R = 13 mA.
Die Werte können angepasst werden.

Widerstände haben Nennspannungswerte, die unabhängig von der Verlustleistung sind.
Bei sehr hohen Spannungen wird die Nennspannung von R1 wichtig.
Die Verlustleistung in R1 beträgt ~ = V ^ 2 / R, also 1 Watt bei 100 V mit R1 = 10 K.
Bei 1000 V beträgt die R1-Verlustleistung V ^ 2 / R = 1.000.000 / 10.000 = 100 Watt.
Sie möchten das nicht lange haben oder einen Widerstand bereitstellen, der diesen stationären Zustand bewältigen kann.
Dies ist für ESD NICHT erforderlich. Wenn Sie jemals eine Situation hatten, in der gelegentlich länger als Millisekunden eine sehr hohe Spannung anliegt, können Sie einen geschalteten Eingang verwenden, der unter sehr hohen Spannungsbedingungen ausgeschaltet wird.

Wenn die Reaktionszeiten nicht hoch sein müssen, kann der Wert von R1 erhöht werden, um den Bedingungen höherer Spannungen zu entsprechen.

Russell McMahon
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