Wie würde ich eine Schutzbeschränkungsschaltung für den ADC-Eingang entwerfen?

Ich möchte meinen ADC vor Eingangsspannungen über 5 V schützen können. Was ist die einfachste Schutzschaltung, die ich bauen könnte, um einen Ausgang wie unten gezeigt zu haben?

Am einfachsten ist wahrscheinlich ein einfacher Zener-Limiter:

Dies begrenzt auch negative Spannungen auf ungefähr -0,7 V, obwohl diese Grenze nicht gut gesteuert wird.

Edit: Ich zeige 100 Ohm an R1. Dies ist nur ein Standardwert. Sie möchten einen möglichst hohen Wert, der der Bandbreite des von Ihnen abgetasteten Signals und den Eingangsstromanforderungen Ihres ADC entspricht. Je höher dieser Widerstand ist, desto niedriger ist der Strom, den der Zener benötigt, um in einem Überspannungszustand abzusinken, so dass der Zener umso kleiner (und kostengünstiger) sein kann. Möglicherweise möchten Sie parallel zum Zenerkondensator einen Kondensator hinzufügen, damit dieser zusammen mit R1 einen Anti-Aliasing-Filter für Ihren ADC bildet.

Eine kostengünstigere Option, wenn Sie eine 5-V-Schiene haben, die genug Strom aufnehmen kann, und es Ihnen nichts ausmacht, wenn der Grenzwert leicht über 5 V liegt:

Sie können die zwei Dioden in einem Doppelpaket für genau diesen Zweck kaufen. Wenn der Grenzwert näher bei 5,2 V als bei 5,7 V liegen soll, verwenden Sie Schottky-Dioden anstelle von normalen Siliziumdioden.

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Wie Steven betont, gibt es hier einen Kompromiss. Ein Zener beginnt bei niedrigen Strompegeln leicht zu leiten, und die Quelle, die Sie messen, muss in der Lage sein, genügend Strom bereitzustellen, um sie bis auf 5 V zu treiben, um das gewünschte Clipping zu erzielen. Wenn Sie unbedingt in der Lage sein müssen, 5,0 V zu erreichen, bevor das Abschneiden beginnt, müssen Sie möglicherweise einen 5,3 V-Zener anstelle von 5,0 V verwenden und sicherstellen, dass Ihre Quelle mindestens 10 uA liefern kann. Dann können Sie natürlich nicht garantiert unter 5,5 V abschneiden.

Auf der anderen Seite funktioniert die Diodenverbindung zur positiven Schiene (meine zweite Lösung, ob mit externen Dioden oder mit denen, die wahrscheinlich in Ihren ADC-Eingang eingebaut sind) nur , wenn die 5-V-Schiene ausreichend belastet ist, um die positive Schiene zu versenken Strom, der von der Überspannungsquelle geliefert wird. In einem Stromkreis mit geringem Stromverbrauch kann die Überspannung dazu führen, dass Ihre 5-V-Versorgung außer Kontrolle gerät und in anderen Teilen Ihres Stromkreises unerwartetes Verhalten auftritt.

Sie können den im Überspannungszustand abzusenkenden Strom begrenzen, indem Sie den R1-Wert erhöhen. Ihre Fähigkeit dazu ist jedoch durch die Bandbreite, die Sie in Ihrem Eingangssignal messen möchten, und / oder den von Ihrem ADC benötigten Eingangsstrom begrenzt.

Es ist auch nicht wahr, dass die Zenerspannung "wild mit dem Strom variiert". Richtiger wäre zu sagen, dass ein kleiner Leckstrom in der Größenordnung von 10-100 uA unterhalb der Zenerschwelle liegt. Sobald der Zener in den Lawinenbetrieb eintritt, kann die Spannung über Jahrzehnte hinweg sehr stabil sein . Hier ist die typische IV einer On Semi Zener-Familie:

Beachten Sie, dass höherwertige Zenere eine bessere Stabilität aufweisen als niedrigwertige. Und natürlich gibt es auch thermische Schwankungen (1-2 mV / K, typisch für das On Semi-Teil bei 5,1 V), um die Sie sich Sorgen machen müssen, wenn Sie eine sehr stabile Begrenzungsspannung wünschen.

Es gab eine Zeit, in der ich dachte, dass Zenerdioden großartig sind. Jetzt weiß ich, dass sie es nicht sind. Tatsächlich stinken sie. Diese Diode hat eine Toleranz von 4% bei 250 µA, so dass Sie möglicherweise die oberen 200 mV Ihres Messwerts verlieren, aber es wird schlimmer: Bei 10 µA beträgt die Zener-Spannung nur 4,3 V, das sind 14% Fehler. Wenn Ihr Eingang von einer Quelle mit relativ hoher Impedanz stammt, können Sie wie bei einem Widerstandsteiler die oberen 700 mV verlieren.

Die meisten Mikrocontroller haben Klemmdioden an ihren E / A-Pins:

Sie können diese verwenden. Wenn Ihr Signal von einem niederohmigen Ausgang kommt, sollten Sie einen Vorwiderstand hinzufügen, um die Klemmdiode vor einem zu hohen Strom zu schützen. 50 mA wird häufig als absolute maximale Nennleistung angegeben. Wenn Sie einen 15-kΩ-Widerstand verwenden, begrenzen Sie den Strom für einen 20-V-Eingang auf 1 mA. Das Photon weist zu Recht darauf hin, dass der Strom nicht zu hoch sein sollte. Das liegt daran, dass Sie Strom dort einspeisen, wo die Spannung von einem Spannungsregler kommt, und dieser nur Strom liefern kann, nicht ihn senken kann. Wenn also eine externe Quelle Strom einspeist, sollte die Last des Reglers in der Lage sein, diesen nach Masse abzuleiten.

Wie PetPaulsen betont , wird diskutiert, ob dies akzeptabel ist. Das Datenblatt kann eine maximale Eingangsspannung von Vcc + 0,3 V, aber auch eine maximale Eingangsspannung von 20 mA für die Klemmdioden (z. B. diesen PIC-Controller) angeben. Dies kann bedeuten, dass der Spannungsabfall der Klemmdiode zum Beispiel weniger als 0,3 V beträgt Auf jeden
Fall können Sie Ihre eigene externe Diode verwenden, um auf Vcc zu klemmen. Diese Schottky-Diode senkt nur 100 mV bei 10 mA, sodass der Eingang auf einen sicheren Wert geklemmt wird. Vergessen Sie nicht den 15 kΩ-Widerstand für Quellen mit niedriger Ausgangsimpedanz.

Wenn Ihre Eingangsspannung nicht negativ wird, ist die Erdungsklemme nicht erforderlich.