Design elektronischer Schaltungen für Kraftfahrzeuge: Spannungsteiler an uC-ADC-Pin

Wenn Sie bereit sind, die Ausgangssignalpegel von "hohem Eingang" und "geerdetem Eingang" zu tauschen (mit anderen Worten, ein +5-V-Ausgang bedeutet einen geerdeten Eingang und ein 0-V-Ausgang bedeutet, dass die positive Batterie angeschlossen ist), dann dieses einfache kleine Fenster Komparator mit einem Paar BJTs könnte für Sie funktionieren:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

D1 führt ein "Fenster" mit einer Differenz von 4,7 V zwischen den Potentialen an den beiden Basen ein, so dass, wenn ein Potential an IN erscheint, immer nur einer der Transistoren eingeschaltet werden kann.

Wenn der Eingang über 8 V ansteigt, beginnt die Basis von Q2 zu steigen, schaltet sich schließlich vollständig ein und zieht OUT auf Massepotential. Q1 bleibt ausgeschaltet, weil sein eigener Basis-Emitter-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist. Es kann nie sehr stark in Sperrrichtung vorgespannt werden, da das Potential an seiner Basis durch D1 und den Basis-Emitter-Übergang von Q2 auf ein Maximum von knapp über 5 V geklemmt wird.

R1 und R2 bilden einen Potentialteiler zwischen dem Eingang und +5 V, wodurch das zum Einschalten von Q1 erforderliche Eingangspotential auf etwa 3 V eingestellt wird. Wenn der Eingang darunter fällt, schaltet Q2 ein und zieht den Ausgang hoch auf +5 V.

Bei einem Eingang zwischen diesen beiden Schwellen ist keiner der Transistoren eingeschaltet, und das Potential an OUT wird durch R4 und R5 auf halbem Weg zwischen der 5-V-Versorgung und Masse eingestellt.

In dem Fall, in dem IN schwebend und mit nichts verbunden ist, gibt es keine Stromquelle über R1, die einen der Transistoren in den leitenden Zustand vorspannen kann. Wenn also sowohl Q1 als auch Q2 ausgeschaltet sind, beträgt der Ausgang +2,5 V.

Hier ist eine Grafik von$V_{OUT}$vs.$V_{IN}$:

Die Schaltung kann Eingangspotentiale über 100 V tolerieren. Der Widerstand R1 wird so gewählt, dass er genug Strom über R2 und R3 leitet, um die Transistorbasen vorzuspannen, aber nicht so viel, dass er mehr als 250 mW verbraucht. Es ist wahrscheinlich eine gute Idee, R1 durch ein paar Widerstände in Reihe (insgesamt etwa 50 kΩ) zu ersetzen, um das Eingangspotential gleichmäßig aufzuteilen und zu vermeiden, dass an einem einzelnen zu viel Spannung anliegt.

Ich würde sagen, ein Teiler reicht nicht aus, da Sie laut Spezifikation 5 V benötigen, wenn die Batterie angeschlossen ist. Die Batterie kann von ca. 8 V auf … nominal 18 V gehen, aber Sie müssen im schlimmsten Fall bis zu ca. 100 V schützen. Es gibt eine ISO mit den erforderlichen "muss überleben"-Signalen. Ihr 32-V-Maximum bezieht sich wahrscheinlich auf einen Zustand der Starthilfebatterie, IIRC sollte nicht länger als 60 Sekunden dauern.

Ich würde mit einem geeigneten TVS beginnen (es gibt Teile, die speziell für Lastabwurfbedingungen entwickelt wurden), um auf ein vernünftiges Niveau zu klemmen (normalerweise etwa 30 V, überprüfen Sie die Durchgangsleistung der Diode). Wenn Sie eine kontinuierliche Spannung von 32 V benötigen, gibt es dafür viele Nennwerte. Eine Verpolungsschutzdiode (Sie möchten nicht an die Batterieleitung liefern) und zuletzt eine Widerstands-Zenerklemme auf 5 V und einen Pullup auf 2,5 V, um den getrennten Fall zu handhaben. Fichte Filterkondensatoren nach Bedarf, da die Batterieleitung die Hölle ist.

Persönlich würde ich die 2,5 V und den Ausgang mit einem Spannungsfolger puffern, um die Schaltung besser zu isolieren, aber dies ist nicht unbedingt erforderlich. Das wäre auch eine weitere gute Gelegenheit zum Filtern, falls erforderlich.

Es gibt tatsächlich einen Fall, in dem dieser Stromkreis ausfallen würde: Während des Kaltstarts (Starten des Motors im Winter) kann die Batterieleitung (gemäß Spezifikation) auf etwa 4 V abfallen, und dies ist die Spannung, die Sie an Ihrer Ausgangsleitung haben würden. Es hängt von Ihrer Definition von „Batterie angeschlossen“ ab und davon, wie viel Spielraum Sie bei den Ausgangswerten haben.

Leider funktioniert dies wegen des Diodenleckstroms nur bei schwacher Batterie. Es ist wirklich keine gute Praxis. Sie könnten eine Transistorvorrichtung als Übung machen, aber es wird schwierig sein, die Schienen zu erreichen und "scharfe" Übergänge zu haben. Im Jahr 2020 haben wir eine bessere Lösung für diese Dinge (wir haben tatsächlich dedizierte Batterieüberwachungs-ICs!)

Tatsächlich ist es schwierig, die Situation „Kabel getrennt“ zu erkennen, da jede erforderliche Schutz- oder Filterkomponente das Signal zu einer Stromschiene (normalerweise Masse) zieht . Der gleiche Schutz-TVS würde für einen hochohmigen Eingang als geerdete Leitung angesehen werden. Ich denke, der einzige Weg, dies zu tun, besteht darin, zu versuchen, einen kleinen Strom herauszudrücken und zu sehen, ob er auf Masse geht. Dies könnte der 5-V-Schiene entnommen werden, denn wenn es nicht fließt, weil 12 V anliegen, haben Sie 12 V an den Eingängen zu sehen. Mit einer cleveren Positionierung des Komparators könnten Sie es schaffen.

Definitiv nicht einfach, wie ich finde. Wenn es bestimmte Batterieschwellenwerte gibt, ist der übliche Weg, dies zu tun:

• Nehmen wir an, dass 2-4 V verboten sind und als getrennt erkannt werden.
• Skalieren Sie die Batterie mit dem Teiler so, dass beispielsweise 12 V 5 V am Ausgang sind
• Fügen Sie einer Referenzspannung, die die Batterie nicht haben kann, einen Pullup hinzu, sodass die Spannung bei getrennter Batterie 3 V beträgt. Hier kommen die Netzwerkwiderstandsübungen zum Tragen!
• Zener auf 5 V (4,7 V ist eigentlich der nächste Standard-Zener). Achten Sie darauf, genügend Zenerstrom zu haben, damit es funktioniert
• Am Ausgang platzieren Sie zwei Komparatoren, die hochziehen, wenn die Spannung über 4 V liegt, und herunterziehen, wenn die Spannung unter 2 V liegt.

Das ist ungefähr das, was ich machen würde:

Komparatoren müssen Push-Pull-Ausgänge haben, um zu funktionieren, es ist eine übliche Variante des Fensterkomparators (vielleicht gibt es eine integrierte Version davon)

Dies hat natürlich Nachteile gegenüber den ursprünglichen Spezifikationen:

• Es gibt einen Batteriespannungsbereich, der als getrennt erkannt wird;
• Der Ausgang beträgt nicht 0 V und 5 V, sondern etwa 0,3 V und 4,7 V (ein Diodenverlust); dies ist nicht perfekt, bleibt aber leicht erkennbar.