Verwendung von 3,3 V oder 2,5 V für ADC und Versorgung des Operationsverstärkers mit 3,3 V oder 5 V

Die Idee ist also, dass AIN1 ein 0-5-V-Signal akzeptiert, das gegen Kurzschlüsse bis 30 V geschützt ist.

Ich möchte auch einen Thermistor zwischen GND und AIN1 ohne externe Komponenten (Widerstand und Stromversorgung) anschließen, damit ich die linke Seite der Schaltung habe, die eine 5-V-Referenzspannung liefert. Der FDv304Ps-Schalter zwischen 4k02 und 560R bietet eine bessere Auflösung über einen großen Temperaturbereich.

Im Moment ist AIN1 mit einem SMBJ5.0A geschützt

AIN1B ist der Ausgang, der dann mit einem ADC auf einem STM32F verbunden wird

Das war meine erste Idee:

Bitte ignorieren Sie das fehlende Erdungssymbol, da ich mehrere analoge Erdungen habe und mehrere verschiedene Symbole verwirrend werden würden.

AINB ist die Ausgabe.

Analoger Eingang

Aber nach einiger Recherche bin ich auf folgende Probleme gestoßen:

Bei Verwendung eines Thermistors wäre es sehr schwer zu skalieren, da ein Spannungsteiler (der Thermistor und TR1 / 2) einen anderen (R122 & 125) speist.

Der SMBJ5.0 führt einen Fehler in den Spannungsteiler ein, aber ich denke, ich kann dies überwinden, indem ich einen SMBJ13A verwende, der einen viel geringeren Leckstrom hat.

  1. Ist es am besten, einen Spannungsfolger-Operationsverstärker zwischen AIN1 und R122 hinzuzufügen oder nur einen SMBJ13A anstelle des SMBJ5.0A zu verwenden?

  2. Diese Frage ist nur relevant, wenn ich den zweiten Operationsverstärker verwende. Ich muss den ersten Operationsverstärker (IC11B) mit 5 V versorgen, damit ich den 5-V-Eingang akzeptieren kann oder wenn ein MOSFET ohne angeschlossenen Thermistor aktiviert wird. Dies bedeutet, dass der zweite (IC11A) mit 5 V versorgt wird. Wirkt sich das auf den Ausgang AIN1B aus oder hat dieser noch ein Maximum von ca. 2,5V? Ich weiß jetzt, dass der Ausgang nicht durch die Stromversorgung des OA beeinflusst wird

  3. Im Moment sind die Widerstände so eingestellt, dass sie maximal 2,5 V zulassen, und ich verwende eine präzise 2,5-V-Referenz, um den Vref + -Pin des STM32F zu versorgen. Dies geschah auf Empfehlung, aber ich bin mir nicht sicher, warum. Soll ich es so lassen, wie es ist, oder 17k- und 33k-Widerstände und eine 3v3-Referenz verwenden? Was sind die Vorteile beider Optionen?

Die Thermistorwerte sind bestenfalls vage, aber man hätte die folgenden Werte:

  • 20 °C 2,1 - 2,9 kΩ
  • 50 °C 0,68 - 1,00 kΩ
  • 90 °C 0,236 - 0,260 kΩ

Der Temperaturbereich wäre -5 bis 100 °C.

Ich mache mir mehr Sorgen, ob die eigentliche Schaltung zuverlässig funktioniert, gegen Kurzschlüsse bis zu 30 V geschützt ist und den vollen 0-5-V-Analogeingang lesen kann.

Update basierend auf Kommentaren und Dorians brillanter Antwort:

Der Thermistor wird zwischen AIN1 und einer externen Masse mit einer Stromkapazität angeschlossen, die größer ist als jede nahegelegene Leitung, sodass die Masseseite der Thermistorverbindung als vollständig geschützt angesehen werden kann. Mir geht es nur darum, den analogen Eingang (AIN1) zu schützen.

Wenn kein Thermistor verwendet wird, werden die FETs ausgeschaltet und ein Sensor mit einem analogen Ausgang von 0-5 V wird an den analogen Eingang angeschlossen. Ein typischer Sensor ist ein 3-adriger Drucksensor für Kraftfahrzeuge mit 5 V, Masse und dem Ausgangssignal. 5V sind bereits geschützt und die Masse ist die gleiche wie oben.

Ich mache mir keine Sorgen mehr über die Skalierung, da die Sensoren rückentwickelt werden müssen und ich Nachschlagetabellen usw. verwenden muss.

Wird diese Schaltung also wie vorgesehen funktionieren und vor dauerhaften Kurzschlüssen von bis zu 30 V geschützt sein?

Wie kann ich das sonst erreichen?

Wie oben ist der Vorteil, eine maximale Ausgangs- und Referenzspannung von 2,5 V einzustellen, anstatt 17k- und 33k-Widerstände zu verwenden und eine Referenzspannung von 3,3 V zu verwenden? Was würdest du tun und warum?

Das ist alles ziemlich wirr. (1) Warum verwenden Sie nicht die richtigen Bodensymbole? (2) Wie liefert "die rechte Seite der Schaltung" eine 5-V-Referenz? Da gibt es keine Spannungsquelle. Meinst du die linke Seite? (3) R122 und R125 erzeugen einen Spannungsteiler, sodass der Operationsverstärker (ungerades Symbol) nicht einmal 2,5 V an seinem Eingang sieht. (4) AIN1B scheint der analoge Ausgang der Schaltung zu sein, kein analoger Eingang.
Wo ist Ihre Thermistorspezifikation und Ihre Fehlerbudgetspezifikation?
Sieht nicht sehr genau aus wie abgebildet
Wo ist Ihre Designspezifikation? Was sind Akzeptanzkriterien und Motivation für diese Designfrage? Möchten Sie ein besseres Design oder einfach nur Feedback zu einem unvollkommenen Design? Wie kann ein Zener Kurzschluss bis 30V schon logisch schützen
Ich möchte in der Lage sein, einen 0-5-V-Analogeingang zu akzeptieren, während ich einen Thermistor verwenden kann, daher die rechte Seite der Schaltung. Es muss vor einem dauerhaften Kurzschluss von bis zu 30 V geschützt werden. Ich bin auf der Suche nach Feedback zur ersten Schaltung und einem besseren Design, wenn meine Schaltung wirklich schlecht ist.
Können Sie bitte weitere Details zum verwendeten Sensor hinzufügen? Es hat zwei Drähte, die Sie nach Belieben an AIN1 und Masse anschließen können, oder ist einer davon am Messpunkt geerdet? Im ersten Fall besteht die Gefahr, dass beide Adern von der 30-V-Leitung berührt werden? Die Gefahrenstelle liegt direkt neben dem Thermistor oder auf dem Weg vom Sensor zur Platine? Wie hoch ist die Strombelastbarkeit der 30-V-Leitung?
Die verwendeten Sensoren werden Automobilsensoren sein, wie z. B. Zweidraht-Thermistoren und Dreidraht-Drucksensoren. Nur AIN1 muss geschützt werden, das Erdungskabel kann als geschützt betrachtet werden und ich mache mir keine Sorgen um den Schutz des Sensors selbst. Die Idee ist, dass der Benutzer einen beliebigen Sensor verwenden, die FETs entweder für einen Thermistor- oder Analogausgang konfigurieren und eine benutzerdefinierte Nachschlagetabelle für diesen bestimmten Sensor hochladen kann.

Antworten (2)

Update, korrigierte Klemmspannung von 13 auf 15

Ihr erster Schaltplan war eigentlich ziemlich gut

Mit wenigen Modifikationen können Sie es zum Laufen bringen:

Ersetzen Sie SMBJ5.0A durch eine Diode mit höherer Klemmspannung, die auch einen niedrigeren Leckstrom hat, wie SMBJ13A, die einen Leckstrom von 1 uA bei 13 V und sogar noch weniger unter 5 V hat

Lassen Sie R125 fallen, es wird nicht benötigt. Update, ich habe mich hier geirrt, lassen Sie R125, um eine maximale Ausgabe von 2,5 V zu erhalten.

Folgen:

Der Leckstrom durch die Schutzdiode ist akzeptabel - weniger als 1 uA, so dass Sie genaue Messungen haben.

Der Klemmstrom wird kleiner sein ~ 30 A, aber ich glaube nicht, dass Sie die 100 Ampere der Originaldiode wirklich brauchen, denn 25 V bei 100 A bedeuten 0,25 Ohm Gesamt-Thermistordrähte und Steckerimpedanz, was bei kleinen Signalkabeln und Steckern nicht der Fall ist .

Die Klemmspannung ist höher (15 V), aber akzeptabel:

  • Uc11 wird durch R122 und US15 geschützt
  • TR9 und TR5 sind durch die internen Dioden R72 und R84 geschützt, der höchste Strom könnte durch R72 fließen Ir72 = (15V-5V)/560 Ohm = 17 mA, die Leistung über R72 beträgt 10 V x 10 V / 560 Ohm = 178 mW
  • Die höchste Leistung über dem Thermistor (bei 100 ° C ~ 200 Ohm) beträgt 15 V x 15 V / 200 Ohm = 1,125 W. Ziemlich hoch, aber für eine kurze Thermik akzeptabel. Dies ist das Worst-Case-Szenario, wenn Sie einen Kurzschluss haben und die Temperatur liegt die Spitze des Sortiments.

Durch Fragen:

1) Nein, nur der erste, der kein wirkliches Problem darstellt, die Dämpfung ist sehr gering und der Thermistorausgang ist nichtlinear, sodass Sie sowieso Nachschlagetabellen und Interpolation verwenden müssen. Der Leckstrom von SMBJ5.0 ist immer noch da und erheblich.

2) Sie haben immer noch 2,5 V, der Ausgang wird nicht vom OA-Netzteil geliefert.

3) Sie können am besten eine von +5VREF abgeleitete Referenzspannung verwenden, damit das Ergebnis unabhängig von der Referenzspannung ist.

Update basierend auf neuen Informationen ( danke für "brillant") , meine Lösung ist nicht ganz ein Schutz für dauerhaften Kurzschluss zu 30 V, nach dem Kurzschluss würde es sicherlich einige Wartung erfordern, um eine Sicherung zu ersetzen, wenn Sie eine auf die AIN-Leitung setzen oder zu ersetzen Sie einige Drähte, wenn nicht.

Nachdem ich also angegeben hatte, dass es sich um eine Automobilanwendung handelt, dachte ich, dass Sie eine 12-V-Leitung zur Verfügung haben müssen, auch bei niedrigem Strom, was mich zu einer reversiblen Schutzlösung mit einem MOSFET wie im folgenden Schema führte:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Wie funktioniert das?

Bei normaler Verwendung beträgt die M1 Vgs 12 V - Vain irgendwo über 7 V, M1 ist vollständig geöffnet, Rds im Datenblatt wird mit 0,1 Ohm für 10 V 1,5 A angegeben, aber aus den Grafiken ist ersichtlich, dass für Vgs> 4,5 V Rds nicht größer ist als 0,15 Ohm und kann vernachlässigt werden. M1 hat eine umgekehrte Vds-Spannung, ist aber für diese Anwendung nicht wichtig, da sie niedriger als 0,6 V ist (interne Diodenspannung).

Wenn die Quellenspannung ansteigt, weil Vds kurzgeschlossen wurde und positiv wurde, kann die Quellenspannung auf 12 V - Schwellenwert Vds ansteigen.

Dadurch wird die AIN-Spannung auf 12 V (oder die von Ihnen gewählte Spannung) abzüglich der Gate-Source-Schwellenspannung (~ 4 V) und der Strom auf einige zehn mA begrenzt

Behalten Sie natürlich die Klemmdiode im Falle eines katastrophalen Ausfalls von M1.

Aus den Kommentaren geht wiederum hervor, dass der Vorteil einer höheren Vref darin besteht, dass das hinzugefügte Rauschen und die OA-Offsetspannung in Bezug auf das aktive Signal niedriger sind.

Also muss ich wirklich nur den ersten Stromkreis behalten, aber den SMBJ5.0A gegen einen SMBJ13A tauschen? Was ist mit den Vor- oder Nachteilen der Verwendung der maximalen Ausgangs- / Referenzspannung von 2,5 V anstelle von 3,3 V?
@TerryGould Erste Frage: Ja, wenn es Ihnen gut geht, dass der Thermistor in einigen Extremfällen nicht zu 100% geschützt ist. Tatsächlich können Sie nichts tun, um es in dieser Konfiguration zu 100% zu schützen, selbst mit einer 5-V-Klemmdiode kann die Hochspannung immer noch den Thermistor erreichen, nachdem die Thermistordrähte und der Stecker durchgebrannt sind. Wenn Sie einen separaten GND für den Thermistor haben, können Sie etwas tun, indem Sie die Genauigkeit verringern und einen Widerstand auf GND hinzufügen. Lassen Sie es mich wissen, wenn Sie Details wünschen.
@TerryGould Zweite Frage: Bei einer höheren ADC-Referenz haben das hinzugefügte Rauschen und der OA-Offset einen geringeren Beitrag zum Gesamtfehler.

Es sieht so aus, als ob Sie sich Sorgen machen, dass Spannung zu Ihrem STM32F durchkommt. Leider hat ein SMBJ5.0A, wie viele Entstörer, einen relativ hohen Leckstrom von max. 800 ua. Dies führt zu einem großen Fehler in Ihrem Widerstandsteilernetzwerk. Sie könnten versuchen, eine Schaltung mit dem Pufferverstärker auf der ungeschützten Seite zu finden, damit Sie eine niedrige Impedanz am Unterdrücker haben können.

Ich habe seitdem aktualisiert und einen weiteren Operationsverstärker hinzugefügt, der meiner Meinung nach einige der Bedenken ausräumen sollte
Verwendung von 3,3 V oder 2,5 V für ADC und Versorgung des Operationsverstärkers mit 3,3 V oder 5 V
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