Защита входов ацп от перенапряжения: портал и журнал для разработчиков электроники

Цепь защиты аналогового входа в соотвествие с IEC 61000

Внешние высоковольтные переходные процессы, которые оказывают влияние на аналоговые входы и выходы системы, могут повредить имеющиеся в составе этой системы интегральные схемы, если они не защищены должным образом. Линии аналогового ввода и вывода современных микросхем, как правило, снабжены защитой от высоковольтных переходных процессов электростатического разряда (рис. 1). Модель человеческого тела (human-body model, HBM), машинная модель (machine model, MM) и модель заряженного устройства (charged-device model, CDM) представляют собой действующие на уровне устройства стандарты, используемые для измерения его способности выдерживать влияние электростатического разряда. Эти тесты предусматривают, что во время процессов производства и сборки печатной платы устройство может выдерживать воздействия, которые определены для него стандартами и обычно выполняются в контролируемой среде.

Рис. 1. Системная защита в соответствии с требованиями стандартов IEC для прецизионных аналоговых входов

 

Стандарты серии IEC 61000

IEC 61000 — это серия стандартов, регламентирующих электромагнитную совместимость на системном уровне. Тремя стандартами, которые относятся к высоковольтным переходным процессам, являются IEC 61000-4-2 (ГОСТ 30804.4.2-2013), IEC 61000-4-4 (ГОСТ IEC 61000-4-4-2016) и IEC 61000-4-5 (ГОСТ IEC 61000-4-5-2017). В этих документах определяется устойчивость к электростатическим разрядам, к наносекундным импульсным помехам и к выбросам напряжения соответственно. Данные стандарты устанавливают формы сигналов, методы испытаний и уровни испытаний для оценки устойчивости электрического и электронного оборудования при воздействии переходных процессов.

Основная цель испытаний в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2 — определение устойчивости систем к внешним электростатическим разрядам, создаваемым вне самой системы во время ее работы, например, когда линия ввода/вывода системы контактирует с человеком, кабелем или инструментом, на котором присутствует электростатический заряд. В IEC 61000-4-2 описан порядок испытаний с использованием двух методов: контактного разряда и воздушного разряда.

Испытания согласно IEC 61000-4-4 предполагают воздействие на сигнальные линии ряда чрезвычайно быстрых импульсов с целью создания помех, свойственных внешним коммутационным схемам, которые имеют емкостную связь с сигнальными линиями. Такие испытания симулируют дребезг контактов или переходные процессы, возникающие в результате коммутации индуктивных или емкостных нагрузок, — весьма распространенные явления в промышленных условиях.

Выбросы напряжения — это следствие коммутационного или грозового перенапряжения. Коммутационные переходные процессы могут возникать во время переключения компонентов в силовом оборудовании, при изменениях нагрузки в системах распределения питания или вследствие различных системных сбоев, например коротких замыканий и дугообразований в системе заземления установки. Грозовое перенапряжение может появиться из-за воздействующих на цепь высоких токов и напряжений, возникающих от ударов молнии.

 

Ограничитель выбросов напряжения: основные параметры

Ограничитель выбросов напряжения (transient voltage suppressor, или TVS) может использоваться для подавления выбросов напряжения. Эти устройства применяются, чтобы отсечь высоковольтные переходные процессы и шунтировать большие токи для их отвода от высокочувствительной схемы. Основные параметры TVS-устройств:

• рабочее импульсное обратное напряжение — напряжение, ниже которого устройство практически не проводит ток;
• напряжение пробоя — напряжение, при котором проявляется некоторая проводимость;
• максимальное напряжение срабатывания — максимальное напряжение на устройстве, когда оно проводит максимально возможный для него ток.

При использовании TVS-устройства на входе или выходе системы следует учитывать ряд факторов. Электростатический разряд или импульсная помеха сгенерируют сигнал с очень быстрым переходным процессом (1–5 нс), что приведет к выбросу напряжения на входе системы прежде, чем TVS-устройство подавит его при напряжении пробоя. Выброс напряжения имеет другую форму сигнала с медленным временем нарастания (1,2 мкс) и большой длительностью самого импульса (50 мкс) — в таком случае напряжение будет сначала подавлено при напряжении пробоя, но оно может продолжать увеличиваться до максимального напряжения срабатывания TVS-устройства. Кроме того, максимальное напряжение срабатывания TVS-устройства должно быть выше, чем любое допустимое перенапряжение постоянного тока (которое может быть вызвано в результате неправильного подключения, потери питания или ошибок пользователя), чтобы защитить систему от перенапряжения. Все три ситуации способны привести к появлению потенциально опасного перенапряжения на входе.

 

Цепь защиты аналогового входа

Для того чтобы полностью обеспечить безопасность узла ввода/вывода системы, ее следует защитить от перенапряжений и высоковольтных переходных процессов. Для этого на входе системы используется высокоточный и надежный аналоговый ключ в сочетании с TVS-устройством, способный защитить чувствительные нисходящие цепи (например, аналого-цифровые преобразователи или входы/выходы усилителя), поскольку такой ключ можно применить для ограничения перенапряжений и подавления остаточных токов, которые не шунтируются на «землю» с помощью TVS-устройства.

На рис. 2 показана функциональная блок-схема стандартного аналогового ключа для защиты от перенапряжения. Следует заметить, что в своем составе ключ не содержит защищающих от электростатического разряда диодов, подключенных к линиям питания на его входном узле. Вместо этого он имеет ячейку защиты от электростатического разряда, которая срабатывает при превышении максимального обратного напряжения устройства, что позволяет устройству блокировать напряжение, превышающее его напряжение питания. Поскольку в работающей с аналоговыми сигналами системе, как правило, требуется, чтобы только внешние выводы ключа были защищены в соответствии со стандартом IEC, защищающие от электростатического разряда диоды устанавливаются на внутренних выводах (то есть на выходе ключа). Эти диоды хорошо справляются со своей задачей в качестве устройств вторичной защиты. В течение короткого промежутка времени, то есть высоковольтного переходного процесса с быстрым временем нарастания, как у электростатического разряда или импульсной помехи, напряжение переходного процесса ограничивается, поэтому высокое напряжение не достигнет нисходящих цепей. В течение длительного периода, то есть высоковольтного переходного процесса с большим временем нарастания, как при выбросе напряжения, выходное напряжение ключа ограничивается внутренними защитными диодами прежде, чем активируется защита от перенапряжения ключа, и он будет разомкнут, чтобы полностью оградить нисходящую схему от повреждений.

Рис. 2. Функциональная блок­-схема аналогового ключа для защиты от перенапряжения

На рис. 3 показаны области функционирования входов системы, которые взаимодействуют с внешним миром. Крайняя левая область (зеленого цвета) отображает нормальную работу входа, когда входное напряжение находится в границах диапазона напряжения питания. Вторая область слева (синего цвета) — это диапазон, где на вход воздействует постоянное или длительное переменное напряжение вследствие потери питания, неправильного подключения или короткого замыкания. Крайняя правая область (фиолетового цвета) представляет собой напряжение срабатывания внутренних защитных диодов ключа перенапряжения. Напряжение пробоя TVS-устройства (оранжевого цвета) должно быть меньше, чем максимальное обратное напряжение ключа, предназначенного для защиты от перенапряжения, а также больше, чем любое из возможных значений постоянного или длительно действующего переменного напряжения, чтобы избежать непреднамеренного срабатывания TVS-устройства.

Рис. 3. Области функционирования системы

Рис. 4. Схема защиты

Представленная на рис. 4 схема защиты в соответствии с IEC может выдержать электростатический разряд до 8 кВ (по методу контактного разряда), электростатический разряд до 16 кВ (по методу воздушного разряда), импульсные помехи до 4 кВ и выбросы напряжения до 4 кВ. ADG5412F (счетверенный однополюсный аналоговый ключ для защиты от перенапряжения ±55 В компании Analog Devices) выдерживает перенапряжение, вызванное электростатическим разрядом, импульсными помехами и выбросами напряжения, в то время как защита от перенапряжения в сочетании с защитными диодами на выходе предохраняет и изолирует нисходящую цепь.

Таблица 1. Результаты испытаний на максимальные уровни высоковольтных переходных процессов

Средства защиты	Защита от электростатического разряда по методу контактного разряда в соответствии с IEC 61000­4­2	Защита от электростатического разряда по методам контактного разряда и воздушного разряда в соответствии с IEC 61000­4­2	Защита от импульсных помех в соответствии с IEC 61000­4­4	Защита от импульсных помех в соответствии с IEC 61000­4­4 и от выбросов напряжения согласно IEC 61000­4­5
TVS на 33 В и резистор 0 Ом	5 кВ		3 кВ	4 кВ
TVS на 33 В и резистор 10 Ом	8 кВ	16 кВ	4 кВ	4 кВ
TVS на 45 В и резистор 0 Ом	4 кВ		2 кВ	4 кВ
TVS на 45 В и резистор 15 Ом	8 кВ	16 кВ	4 кВ	4 кВ
TVS на 54 В и резистор 30 Ом	8 кВ	16 кВ	4 кВ	4 кВ

Примечание. Не проводились испытания по методу воздушного разряда с резистором 0 Ом при TVS на 33 В и TVS на 45 В.

В таблице 1 показаны уровни высоковольтных переходных процессов, которые может выдерживать ADG5412F с различными комбинациями TVS-устройств и резисторов. Основные технические характеристики ADG5412F и других компонентов от компании Analog Devices, предназначенных для защиты от перенапряжений ±55 В, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Продукция Analog Devices для защиты от перенапряжений ±55 В

Компонент	Конфигурация	Уровень разряда в соответствии с моделью человеческого тела, кВ	Характеристики					Номинальное напряжение, VNOM				Корпус
			Сопротивление во включенном состоянии (тип.), Ом	Неравномерность сопротивления во включенном состоянии, Ом	Ток утечки во включенном состоянии (тип.), нА	Инжекция заряда, пК	Полоса пропускания, МГц	Одно­полярное		Двух­полярное
								12	36	±15	±20	TSSOP	LFCSP
ADG5412F / ADG5413F	4×, один полюс, одно направление	5,5	10	0,6	0,3	680	270					EP
ADG5412BF / ADG5413BF	4×, один полюс, одно направление	3	10	0,6	0,3	680	270
ADG5436F	2×, один полюс, два направления	6	10	0,6	0,3	654	108
ADG5243F	3×, один полюс, два направления	3,5	270	7	0,3	0,8	350
ADG5404F	4:1/мультиплекс.	5	10	0,6	0,3	680	108
ADG5208F / ADG5209F	8:1/диффер. 4:1/мультиплекс.	3,5	250	6,5	0,3	0,4	190/290
ADG5248F / ADG5249F	8:1/диффер. 4:1/мультиплекс.	3,5	250	6,5	0,3	0,8	190/320
ADG5462F	4×, защита каналов	4	10	0,6	0,3	–	318

Защитная цепь состоит из TVS-устройства и дополнительного низкоомного резистора. Резистор требуется для достижения более высоких уровней защиты от электростатического разряда и импульсных помех, поскольку он предотвращает активацию предназначенной для защиты от электростатического разряда внутренней ячейки аналогового ключа до того, как TVS-устройство ограничит напряжение на входе. На рис. 4 также показаны различные пути прохождения тока во время действия высоковольтного переходного процесса. Бóльшая часть тока шунтируется на «землю» через TVS-устройство (путь I1). Путь I2 обозначает ток, рассеиваемый через внутренние защитные диоды на выходе ADG5412F, при этом выходное напряжение ограничивается на уровне 0,7 В выше напряжения питания. Наконец, путь I3 представляет собой остаточный ток, который должны выдержать компоненты нисходящей цепи. Для получения более подробной информации об этой схеме защиты следует изучить руководство по применению AN‑1436 от Analog Devices.

 

Защита от электростатического разряда в соответствии со стандартом IEC

На рис. 6, 7 показаны результаты измерения, полученные при выполненных на основе схемы рис. 5 испытаниях по методу контактного разряда с электростатическим разрядом 8 кВ и методу воздушного разряда с электростатическим разрядом 16 кВ. Как уже было сказано, на выводе источника присутствует начальное перенапряжение до того, как TVS-устройство ограничит напряжение на уровне примерно 54 В. Напряжение на выходе ключа во время присутствия этого перенапряжения ограничивается на уровне 0,7 В выше напряжения питания. Измерение тока на данном выходе показывает, что ток течет в диоды устройства нисходящей цепи. Пиковый ток импульса равен примерно 680 мА, а продолжительность действия тока составляет приблизительно 60 нс. Для сравнения: электростатический разряд напряжением 1 кВ в соответствии с моделью человеческого тела имеет пиковый ток 660 мА, а продолжительность его воздействия равна 500 нс. Поэтому разумно сделать вывод о том, что компонент нисходящей цепи, защита которого соответствует модели человеческого тела, благодаря использованию этой схемы защиты должен выдерживать контактный разряд 8 кВ и разряд через воздушный зазор 16 кВ.

Рис. 5. Испытательная схема

Рис. 6. Напряжение и ток на выходе ключа при воздействии разряда 8 кВ

Рис. 7. Напряжение и ток на выходе ключа при воздействии разряда через воздушный зазор 16 кВ

Защита от электрических быстрых переходных процессов

На рис. 8 изображены результаты измерения, полученные при воздействии одного импульса напряжением 4 кВ. Так же как и в случае с электростатическим разрядом, на выводе источника будет присутствовать начальное перенапряжение до того, как TVS-устройство ограничит напряжение на уровне примерно 54 В. Напряжение на выходе ключа во время присутствия этого перенапряжения тоже будет ограничено на уровне 0,7 В выше напряжения питания. Пиковый ток импульса, протекающий в устройство нисходящей цепи, в данном случае равен всего 420 мА, а продолжительность действия этого тока составляет приблизительно 90 нс. Снова сравнивая эти показания с электростатическим разрядом по модели человеческого тела, можно сказать, что разряд 750 В в соответствии с такой моделью имеет пиковый ток 500 мА, а его продолжительность составляет 500 нс. Таким образом, на вывод устройства нисходящей цепи передается энергия в течение действия импульсной помехи 4 кВ, что менее опасно, чем воздействие электростатического разряда 750 В в соответствии с моделью человеческого тела.

Рис. 8. Ток одного импульса помехи

 

Защита от выбросов напряжения

На рис. 9 можно увидеть результаты измерения, полученные при воздействии выброса напряжения 4 кВ на вход защитной цепи. Как уже упоминалось, напряжение на источнике может превысить напряжение пробоя TVS-устройства до максимального напряжения срабатывания. Ключ защиты от перенапряжения имеет время реакции примерно 500 нс, и напряжение на выходе ключа будет ограничено на уровне 0,7 В выше напряжения питания в течение этого 500‑нс промежутка. Пиковый ток, протекающий в устройство нисходящей цепи, равен лишь 608 мА в течение данного периода. Затем примерно 500 нс ключ, как видно на графике, размыкается и изолирует нисходящую цепь, тем самым защищая ее от повреждений. Опять же, это менее опасно, чем воздействие электростатического разряда 750 В в соответствии с моделью человеческого тела.

Рис. 9. Работа цепи защиты от перенапряжений во время выброса напряжения

 

Заключение

В статье рассказано о том, как защитить аналоговые входы и выходы интегральной схемы от высоковольтных переходных процессов в соответствии с описаниями, приведенными в стандартах IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 и IEC 61000-4-5.

Данная публикация предоставляет разработчикам систем полезную информацию, необходимую для проектирования защитных схем для системных входов и выходов при одновременном достижении следующих преимуществ:

• Простота защитной схемы.
• Более быстрое время выхода продукта на рынок.
• Более высокая эффективность схемы защиты благодаря сокращению количества дискретных компонентов.
• Уменьшение значения сопротивления последовательно включенных в тракте прохождения сигнала резисторов.
• Простота выбора TVS-устройств благодаря смягчению требований для таких устройств.
• Защита на уровне системы для следующих стандартов:
  • IEC 61000-4-2: 16 кВ в соответствии с методом воздушного разряда;
  • IEC 61000-4-2: 8 кВ в соответствии с методом контактного разряда;
  • IEC 61000-4-4: 4 кВ;
  • IEC 61000-4-5: 4 кВ.
• Защита от перенапряжения ±55 В как по переменному, так и по постоянному току.
• Защита при потере питания ±55 В.

Как бы я спроектировал схему защитного ограничителя для входа АЦП?

Вероятно, самым простым является простой ограничитель по Зенеру:

Это также ограничит отрицательные напряжения примерно до -0,7 В, хотя этот предел не будет хорошо контролироваться.

Изменить: я показываю 100 Ом на R1. Это просто значение по умолчанию. Вы хотите получить как можно большее значение, учитывая ширину полосы сигнала, который вы выбираете, и потребности входного тока вашего АЦП. Чем выше это сопротивление, тем ниже ток, который необходим стабилитрону при пониженном напряжении, поэтому меньшим (и более дешевым) стабилитрон может быть. Возможно, вы захотите добавить конденсатор параллельно с стабилитроном, чтобы он в сочетании с R1 сформировал фильтр сглаживания для вашего АЦП.

Более дешевый вариант, если у вас есть шина 5 В, которая может потреблять достаточный ток, и вы не возражаете против того, чтобы предельное значение было немного выше 5 В:

Вы можете купить два диода в двойной упаковке именно для этой цели. Если вы хотите, чтобы предельное значение было ближе 5,2 В, чем 5,7 В, используйте диоды Шоттки вместо обычных кремниевых диодов.

Редактировать 2

Как указывает Стивен, здесь есть компромисс. Стабилитрон начинает слабо проводить при низких уровнях тока, и источник, который вы измеряете, должен быть в состоянии обеспечить достаточный ток, чтобы подвести его до 5 В, чтобы получить необходимое ограничение. Если вам абсолютно необходимо иметь возможность подняться до 5,0 В до начала отсечения, вам может потребоваться использовать, скажем, 5,3 В стабилитрона вместо 5,0 В, и убедитесь, что ваш источник может обеспечить не менее 10 мкА. Тогда, конечно же, вам не гарантировано ограничение ниже 5,5 В.

С другой стороны, подключение диода к положительной шине (мое второе решение, будь то использование внешних диодов или тех, которые, вероятно, встроены в ваш АЦП), будет работать, только если на шине 5 В достаточно нагрузок, чтобы поглотить ток, обеспечиваемый источником перенапряжения. В цепи с низким энергопотреблением, перенапряжение может привести к тому, что ваш источник питания 5 В выйдет из-под контроля и может вызвать все виды неожиданного поведения в других частях вашей цепи.

Вы можете ограничить ток, который необходимо утопить в состоянии перенапряжения, увеличив значение R1. Но ваша способность сделать это ограничена пропускной способностью, которую вы хотите измерить во входном сигнале, и / или входным током, необходимым для вашего АЦП.

Неверно и то, что напряжение стабилитрона «сильно зависит от тока». Правильнее будет сказать, что есть небольшой ток утечки, порядка 10-100 мкА, ниже порога стабилитрона. Как только стабилитрон переходит в лавинный режим, напряжение может быть очень стабильным в течение десятилетий тока. Вот типичный IV семейства On Semi Zener:

Обратите внимание, что более ценные стабилитроны имеют лучшую стабильность, чем недорогие. И, конечно, есть также температурные колебания (1-2 мВ / К, типичные для части On Semi при 5,1 В), о которых нужно беспокоиться, если вы хотите очень стабильное напряжение ограничения.

Защита входов от перенапряжений

15 августа 2019

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

При проектировании операционного усилителя разработчики часто задаются вопросом, как будут подключаться входы ОУ, будут ли обращаться с ними с осторожностью или есть вероятность того, что их могут небрежно подключить напрямую к сети переменного тока? Мы все хотим сделать свое оборудование надежным, способным выдерживать самое жесткое обращение, поэтому в этом разделе я объясню, как входы ОУ защищают от электрических перенапряжений (Electrical over-stress, EOS).

OPA320 – типичный представитель операционных усилителей. В перечне его предельных рабочих параметров приводятся значения максимального напряжения питания, максимального входного напряжения и тока (см. таблица, рисунок 68). В примечании указано, что если вы ограничиваете входной ток, то вам не нужно ограничивать входное напряжение. Внутренние ограничительные диоды выдерживают ток до ±10 мА. Однако ограничение тока при высоковольтных перегрузках может потребовать использования значительного последовательного входного сопротивления, которое приведет к увеличению шума, уменьшению полосы пропускания и, возможно, созданию других ошибок.

Рис. 68. Схема ОУ с внутренними защитными диодами

Ограничительные диоды начинают включаться, когда значение входного напряжения превышает значение напряжения питания примерно на 0,6 В. Многие устройства обычно выдерживают более высокое значение тока, но прямое падение напряжения при этом резко возрастает, увеличивая вероятность повреждения.

Вы можете значительно повысить устойчивость ОУ к высоким входным токам и увеличить уровень защиты путем добавления внешних диодов. Обычные сигнальные диоды, например, популярные 1N4148, как правило, имеют более низкое значение прямого падения напряжения, чем встроенные защитные диоды.

В стендовых тестах я обнаружил, что у всех диодов 1N4148 падение напряжения как минимум на 100 мВ меньше, чем у встроенных  диодов в рассматриваемых нами усилителях. При параллельном подключении внешних диодов большая часть тока будет течь именно через них.

Диоды Шоттки имеют еще меньшее прямое падение напряжения и могут обеспечить более высокую защиту. Однако у них, как правило, есть общий недостаток, который заключается в высоких значениях тока утечки. При комнатной температуре величина утечки достигает единиц микроампер или даже больше. При этом с ростом температуры это значение увеличивается.

Помните, что вам нужно стабильное напряжение питания. Защитные диоды, – как внутренние, так и внешние, – требуют относительно устойчивого напряжения питания для ограничения выбросов. Если мощности воздействующего импульса хватает для того чтобы обеспечить протекание значительного тока, то это вызовет просадку напряжения на выводе питания V+ или скачок напряжения на выводе V-. В результате это может перегрузить вход питания (рисунок 69). Обычный линейный регулятор не сможет обеспечить втекание тока и поддерживать постоянное напряжение питания. Развязывающие конденсаторы большой емкости, подключенные к выводам питания, могут помочь поглотить большой импульс тока помехи. Для фильтрации длительных помех может потребоваться защитный стабилитрон, также подключенный к линиям питания. Напряжение срабатывания для стабилитрона должно незначительно превышать значение максимального напряжения питания, чтобы он включался только при возникновении помех. Стоит отметить, что при использовании биполярного питания (±) также необходимо предусмотреть аналогичную защиту по цепи отрицательного питания.

Рис. 69. Для ограничения бросков на выводах питания, возникающих за счет тока, протекающего через защитные диоды, необходим стабилитрон

Несмотря на принятые меры, мощная помеха по-прежнему может вызвать броски напряжений, которые превысят максимально допустимые значения. Однако смысл состоит в том, что максимально допустимые значения из документации обычно являются очень безопасными и при их достижении разрушение микросхемы маловероятно. Кроме того, существует некоторый запас прочности и выше максимальных значений, однако безопасность в таких случаях уже не гарантируется. Совсем несложно обеспечить ограничение напряжения на пару вольт выше допустимых значений и тем самым добиться весьма высокого уровня выживаемости. Во многих случаях цель заключается в том, чтобы значительно повысить уровень выживаемости без больших затрат и ухудшения параметров схемы.

Невозможно рекомендовать универсальное решение или гарантировать, что конкретная схема защиты будет отвечать всем требованиям, поскольку требования у приложений сильно различаются. Усилители отличаются по уровню встроенной защиты, и необходимый уровень внешней защиты также может быть различным. Если это необходимо, то пожертвуйте некоторым количеством усилителей, и подвергните их жесткому тестированию.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. 1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
   2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
   3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
   4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
   5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
   6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
   7. Входной импеданс против входного тока смещения
   8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
   9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
   10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
   13. Приручаем нестабильный ОУ
   14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
   15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
   16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
   17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
   18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
   19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
   20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
   21. Время установления: взгляд на форму сигнала
   22. Шум резисторов: обзор основных понятий
   23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
   24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
   25. 1/f-шум: фликкер-шум
   26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
   27. Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
   28. Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Защита от перенапряжения и обратного напряжения мультиплексированного АЦП с последователем напряжения

Лучше использовать кремниевые диоды для D1 и D2, а не schottkies, на местах утечки. Я знаю, что их Vf больше, на бумаге, вероятно, превышающем максимальное входное напряжение мультиплексора, но их утечка будет на порядок ниже. Некоторые кремниевые диоды рекламируются как низкая утечка. Тем не менее, есть немного смысла в стремлении к утечке ниже, чем ваш мультиплексор обеспечит. Обратите внимание, что ток утечки диода и мультиплексора имеет тенденцию увеличиваться экспоненциально с температурой, иногда ужасно выглядящая диаграмма данных для наихудшего случая при температуре будет ОК, если вы будете использовать вашу систему только в окружающей среде.

Используйте резистор между диодным зажимом и входом мультиплексора для ограничения тока в диодах защиты мультиплексоров, когда D1 или D2 зажимаются.

Не все мультиплексоры равны, некоторые из них имеют надежную защиту ввода, поскольку они предназначены для такого типа использования. Некоторые указывают, что их защита от ввода может выдерживать высокий ток. Проведите широкий поиск и внимательно прочитайте листы данных.

Не предполагайте, что ток утечки будет отменен. Утечка — это неконтролируемый параметр.

Не забудьте использовать подходящий номинал напряжения для R3, ваш общий или садовый резистор обычно хорош только для 200 вольт. Используйте несколько последовательно, или один, рассчитанный на гораздо более высокое напряжение, они не слишком дороги. Шипы 1500v распространены в сети.

Что-то вроде PUSB2X4Y имеет характеристики импульсов в усилителях. Если это может занять микросекундный импульс 4,5 А, равный обычно 3,8 В, то можно предположить, что он будет принимать 10 мА мА весь день, каждый день, без смущения.

В случае, если вы не заметили комментарий Мэтьюса ниже, вот что, по моему мнению, он предложил на левой диаграмме спиновым диодам через буферный операционный усилитель.

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

Хотя выход ОУ можно считать более емким, чем входы, он все еще имеет диоды подложки и максимальную текущую спецификацию, поэтому также нуждается в самой защите. У некоторых усилителей даже есть входы, установленные вне рельса для защиты входных сигналов, но только выходное напряжение 0,3 В и средняя мощность на выходном штыре.

Исходя из этой основной идеи, мое действие по принципу показано справа. Диодная строка D3-6 обеспечивает зажим напряжения на «немного снаружи» рельсов, R2 защищает диоды, R4 защищает вход усилителя, R3 защищает выход усилителя и загружает напряжение на диодах D4 и D5 так что их утечка на вход минимальна. При такой самонастройке диоды могут быть почти любыми, даже большими взрывобезопасными выпрямителями.

The two diodes in series suggests that care is needed in layout if protection is to extend to fast pulses. Consider the SOT-23 BAV99, two series diodes in one package, to implement the pair D3,4 and the pair D5,6. They are specified continuous >100mA, typical 10mS pulse 800mA, which for any reasonable R2 sounds adequate. BAT754S is an alternative in schottky. Similar currents, but much lower clamping voltage.

Вам действительно не нужен операционный усилитель на канал, если ваша утечка мультиплексора достаточно низкая. Схема внизу показывает единственный буфер после мультиплексора, управляющего всеми входными защитными диодами. Обратите внимание, что утечка мультиплексора появляется на входе усилителя, тогда как использование буфера на каждом канале устраняет утечку мусора.

Канал «on» получает правильное напряжение бутстрапа. «Выключенные» каналы, вероятно, будут получать неправильное напряжение, и «внутренние» защитные диоды могут хорошо проводить. Это не проблема измерения, поскольку канал, который мы хотим, является правильным. Это может быть или не может быть проблемой для того, что приводит эти входы, чтобы наши номинально высокие импедансные входы оттягивались на другое напряжение. Если мы предположим, что это очень слабый источник тока (нас беспокоит утечка, поэтому мы знаем, что это не источник с низким импедансом) с большой емкостью на землю, это может занять много времени после выбора этого входа до того, как напряжение вернется к его правильное значение.

Actual leakage measurements for diodes at 15C.   
diode    -2/-5v leakage   slope resistance over +/- 10mV
-----    --------------   ------------------------------
1N4148       4nA                 30Mohm    
BAT42       35nA                  1Mohm
BAS116     >20Gohm

Проводимость BAS116 продолжалась как 40pA 300mV, 45nA 450mV, 16uA 640mV. Спецификация BAS116 typ/max при 25C составляет 3pA/5nA и 3n/80n при 150C.

Это означает, что при этой температуре и допущениях об обратном протекании, изменяющихся в 2 раза вверх и вниз, и смещении следящего напряжения 3 мВ, можно предположить следующую утечку

diode     no bootstrap      bootstrapped
-----     ------------      ------------
1N4148        6nA               1pA
BAT54        50nA               3nA
BAS116      

Я сделал эти измерения с 8-метровым метром с входным сопротивлением 10 м и диапазоном 200 мВ, поэтому 10pA на LSB, не сложно (очевидно, не может определить разницу между 0 и 10pA!). Я предлагаю вам сделать то же самое с выбранными вами диодами и при более высоких температурах.

ЗАЩИТА ОУ ОТ ПЕРЕГРУЗОК в устройствах на микросхемах

Обеспечение надежности работы радиоэлектронных схем является одной из важнейших задач практического использования компонентов радиоэлектронной аппаратуры. В отношении ОУ наиболее уязвимыми являются входные и выходные цепи, цепи питания.

Все эти цепи критичны к даже весьма непродолжительным перенапряжениям, которые могут возникать в результате грозовых и электростатических разрядов, переходных процессов, неисправностей по цепям питания и т. д. Вторым по значимости в плане вероятного повреждения ОУ представляются перегрузки по току или рассеиваемой мощности.

Защита входных цепей ОУ

Совет.

При выборе схем защиты ОУ следует учитывать тот момент, что многие современные микросхемы уже имеют встроенную защиту, например, на случай короткого замыкания в нагрузке, от перегрева и т. п.

Конструкционные особенности исполнения и эксплуатации микросхем обычно указывают в технических паспортах и описаниях. В таких описаниях обязательно указывают предельно допустимые условия эксплуатации микросхем — по напряжению питания, потребляемому току, току нагрузки, предельному уровню входных напряжений и т. д. Современные микросхемы, учитывая опыт эксплуатации и статистику отказов, зачастую имеют встроенную систему защиты, например, от короткого замыкания в цепи нагрузки. Вместе с тем, многие подобные усовершенствования, повышая надежность устройств, могут заметно ухудшить их иные важнейшие эксплуатационные характеристики, особенно, быстродействие, работу в области повышенных частот.

Наиболее простой способ защиты входных цепей ОУ показан на рис. 5.1 и рис. 5.2. Он заключается в использовании диодного ограничителя, выполненного на основе встречно включенных высокочастотных диодов и резистора R1, который по совместительству входит в состав усилителя на ОУ и определяет его коэффициент передачи.

Примечание.

Напомню, что для кремниевых диодов ограничение наступает при величине напряжения, прикладываемого к диодам, превышающем 0,6—0,7В. При более низких напряжениях диоды можно практически исключить из эквивалентной схемы: их сопротивление утечки обычно намного превышает 1 МОм, а величина емкости не превышает долей — единиц пикофарад.

Для германиевых диодов порог шунтирующего действия проявляется при напряжениях свыше 0,25—0,3 В. При меньших напряжениях сопротивление утечки примерно на порядок ниже, чем для кремниевых диодов; емкостные свойства примерно сопоставимы.

Если есть необходимость повысить уровень входного сигнала, поступающего на вход ОУ без ограничения, для защиты можно использовать

Рис. 5.1. Схема диодного ограничителя предельного уровня входного напряжения

последовательную цепочку из нескольких германиевых и/или кремниевых диодов. Их напряжения арифметически суммируются; для обеспечения равномерности распределения падения напряжений параллельно каждому из диодов следует подключить резистор сопротивлением 0,5—2 МОм (все резисторы равного номинала).

Рис. 5.2. Вариант выполнения схемы ограничителя

Рис. 5.3. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием симметричного стабилитрона

Одним из вариантов защиты входных цепей ОУ является включение на его входе (симметричного) стабилитрона по схеме, представленной на рис. 5.3. В качестве симметричного стабилитрона можно использовать два (или более) встречно включенных однотипных стабилитрона. Заметным недостатком схем защиты с применение стабилитронов следует считать то, что стабилитроны, как элементы сугубо низкочастотные, имеющие выраженные значения емкостей переходов и их зависимость от приложенного напряжения, могут работать лишь в области весьма низких частот, как правило, до 1 кГц.

Для защиты входных цепей ОУ от перенапряжения можно использовать схему,

представленную на рис. 5.4. Под перенапряжением следует считать такое напряжение на входе, величина которого превышает напряжение питания микросхемы. Решить эту проблему несложно при использовании диодных цепочек VD1 и VD2, которые открываются и подключают вход к шине питания при напряжении на входе на доли вольта превышающем напряжение питания микросхемы.

Рис. 5.4. Схема диодной защиты входных цепей ОУ

Рис. 5.5. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием КМОП- коммутатора

Следующий вариант выполнения цепей защиты основан на использовании КМОП-коммутатора, управляемого входным сигналом (положительной полярности). В случае если напряжение на управляющем входе КМОП-коммутатора превысит уровень 0,6—0,7 от напряжения его питания, ключ коммутатора замкнется, обеспечив защиту входа ОУ.

Рис. 5.6. Вариант схемы защиты входа ОУ

В приведенной на рис. 5.5 схеме питание КМОП-коммутатора осуществляется непосредственно от входного сигнала: это напряжение в положительной полярности через диод VD2 заряжает накопительный конденсатор С1 и ограничивается стабилитроном VD1. Ввиду малого энергопотребления по цепям питания КМОП-коммутатора (доли миллиампера) конденсатор С1 образует импровизированный аналог источника питания микросхемы DA2.

Приведенная выше схема обеспечивает защиту входа ОУ при уровне входного напряжения, незначительно превышающего напряжение стабилизации стабилитрона VD1. Предполагается, что это напряжение меньше или равно напряжению питания микросхемы DA1. Обеспечить защиту по входному сигналу, уровень которого не может превышать напряжение питания ОУ (или на доли вольта превосходит его), можно при использовании схемного устройства, представленного на рис. 5.6.

Следующее техническое решение предусматривает корректную работу элемента защиты при двуполярном входном сигнале (рис. 5.7). Отмечу, что для повышения чувствительности схемы защиты для питания управляющего входа коммутатора можно использовать выпрямители- умножители входного сигнала. Можно также предусмотреть принудительное смещение начального положительного напряжения на управляющем входе КМОП-коммутатора.

Примечание.

Рис. 5.9. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием лавинного транзистора

Рис. 5.8. Схема защиты входных цепей ОУ с использованием транзисторного ключа переменного тока

Рис. 5.7. Вариант схемы защиты входа ОУ

Стоит напомнить, что большинство КМОП-коммутаторов способно работать до частот, не превышающих 1МГц.

Точнее говоря, предельные возможности таких коммутаторов напрямую зависят от напряжения питания микросхемы коммутатора: чем выше это напряжение, тем выше частота коммутации. Диапазон же питающих напряжений КМОП-коммутаторов отечественного производства лежит в интервале 3—15 В. Соответствующая верхняя предельная частота коммутации может приближаться к 4—5 МГц (для современных моделей КМОП- коммутаторов).

Более быстродействующим элементом защиты являются транзисторные ключи, схема одного из вариантов выполнения которого приведена ниже (см. рис. 5.8). Как и в предшествующих случаях элементом, лимитирующим верхнюю частоту работы устройства, является наиболее низкочастотная деталь — стабилитрон VD5. В этой связи этот элемент целесообразно заменить транзисторным аналогом, варианты которого описаны в монографии [5.1].

Как вариант выполнения цепи защиты можно рассмотреть включенную во входную цепь ОУ мостовую диодную схему, в диагональ которой в инверсном виде включен биполярный

лавинный транзистор VT1 (рис. 5.9). Пробой такого транзистора обычно наблюдается при напряжениях порядка 8—10 В и более, в зависимости от типа транзистора, см. также [5.1].

 Примечание.

Отмечу, что обычно лавинные транзисторы при подобном режиме включения работоспособны до частот не свыше 200 кГц. Их аналоги — динисторы обычно работают до частот не более 1 кГц.

Рис. 5.10. Схема диодной защиты входных цепей ОУ

Рис. 5.11. Схема защиты входных цепей ОУ стабилитронами

Рис. 5.12. Схема защиты входных цепей ОУ симметричным стабилитроном

Для того, чтобы ограничить предельное напряжение между входами ОУ, используют простейший диодный ограничитель, подключенный к входам ОУ (рис. 5.10). При малом напряжении сопротивление ограничителя на кремниевых диодах превышает десятки мегаом, зато при последующем росте этого напряжения (при напряжении свыше 0,6—0,7 В) экспоненциально снижается до сотен ом. Область предельных рабочих частот диодной защиты определяется свойствами как самого ОУ, так и типом используемых диодов (ориентировочно до 10 МГц, т. к. на более высоких частотах начинают сказываться емкостные свойства элементов схемы). Уровень ограничения можно ступенчато менять, используя цепочки последовательно включенных диодов.

Вариант схемы защиты входных цепей ОУ с использованием встречно включенных стабилитронов приведен на рис. 5.11. Кроме параллельного включения стабилитронов, рис. 5.11, возможно и их последовательное включение или использование симметричного стабилитрона, рис. 5.12. Применение стабилитронов позволяет заметно повысить напряжение защиты, однако сужает область рабочих частот устройства.

Защита ОУ по цепям питания

Простым способом защиты ОУ от перенапряжения по цепям питания является использование стабилитронов, рис. 5.13. Одновременно решаются задачи защиты, стабилизации напряжения питания, формирования искусственной средней точки. При неверной полярности подключения

Рис. 5.16. Схема ограничителя тока ОУ

на ОУ подается напряжение, равное прямому падению напряжения на стабилитронах, что не приводит к повреждению ОУ

Диодно-резистивная защита, рис. 5.14, спасает ОУ от неверной полярности подаваемого напряжения, однако не защищает его от перенапряжения.

Комбинированная защита ОУ по цепям питания, рис. 5.15, сочетает в себе достоинства ранее рассмотренных технических решений. В схеме использована параллельная диодная защита с использованием диода VD3: при неверной полярности поданного напряжения происходит короткое замыкание источника питания на диод VD3, после чего перегорает предохранитель FU1 и схема обесточивается.

Недостатки такого схемного решения также очевидны:

♦  необходимость использования мощного диода защиты VD3;

♦    возможность повреждения источника питания при использовании суррогатного предохранителя;

♦  необходимость замены предохранителя.

Впрочем, последние проблемы могут быть решены заменой одноразового плавкого предохранителя полупроводниковым многоразовым самовосстанавливающимся предохранителем [5.2].

Для ограничения тока, потребляемого ОУ, используют ограничители тока (генераторы стабильного тока), рис. 5.16.

Защита выходных цепей ОУ

Выходные цепи ОУ чаще всего повреждаются:

♦    или в результате перенапряжений, возникающих при работе ОУ на индуктивную нагрузку;

♦  или от короткого замыкания нагрузки.

Вариант защиты выходных цепей от импульсов непредусмотренной штатным режимом эксплуатации полярности приведен на рис. 5.17.

Рис. 5.18. Схема защиты выходных цепей ОУ с использованием стабилитрона

Рис. 5.7 7. Схема диодной защиты выходных цепей ОУ

Стабилитрон, подключенный параллельно сопротивлению нагрузки, ограничивает предельное напряжение выходного сигнала до уровня напряжения стабилизации, рис. 5.18.

Примечание.

Следует учесть, что частотная область применения такого способа защиты ограничена емкостными свойствами стабилитрона (до единиц килогерц).

Рис. 5.19. Схема ограничителя предельного тока нагрузки ОУ

Кроме того, в зависимости от величины выходного напряжения заметно изменяется и емкость стабилитрона. Это может дополнительно исказить усиливаемый сигнал, а при работе на индуктивную нагрузку вызвать резонансные процессы.

Ограничивают предельный ток нагрузки и, следовательно, защищает транзисторы выходных цепей ОУ от перегрузки ограничитель тока (генератор стабильного тока), рис. 5.19. Следует отметить, что многие современные ОУ имеют подобные цепи защиты непосредственно в составе микросхемы.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

система защиты от импульсных перенапряжений

Немецкая фирма Weidmuller Interface (www.weidmueller.de) — мировой лидер по качеству и номенклатуре комплектующих элементов для автоматизации промышленных объектов и инсталляции зданий. Она хорошо известна как производитель клемм, коннекторов и электромонтажного инструмента высочайшего класса. Кроме того, одним из основных направлений деятельности фирмы является производство недорогих электронных модулей для защиты от импульсных перенапряжений.

Интерес к этой теме не случаен. Вместе с началом применения электричества на производстве и в жилых домах возникла проблема импульсных помех. Все мы видели искажения изображения на экране телевизора, когда соседи включают дрель, и встречались с таким бытовым понятием, как «вышибает пробки» во время грозы. Все это самые простые примеры воздействия кратковременных выбросов напряжения — импульсных помех. На современном автоматизированном предприятии рядом находятся силовые электрические машины, электрогенераторы, компьютеры, датчики, кабели с сигналами электропитания и шины передачи цифровых данных, каждый из которых производит свое электромагнитное поле, создающее наведенный заряд в соседних чувствительных электронных приборах и может вывести их из строя. Но самые разрушительные последствия может иметь удар молнии, наводящей кратковременный импульс огромной энергии в цепях электроразводки зданий. Решению проблемы было положено начало в 1989 году вместе с принятием международной Директивы по электромагнитной совместимости 89/336/EEC, наложившей ограничения на уровни излучения электромагнитных помех.

Защита от перенапряжений входит в концепцию электромагнитной совместимости, что было законодательно закреплено во многих странах. Это вызвало к жизни целую отрасль по производству устройств защиты от импульсных помех и грозозащиты.

Статистика говорит, что, например, в Германии одна треть отказов электроники вызвана воздействием перенапряжения, что одновременно на нашей планете случается до 2000 гроз, а только в России 7% всех пожаров в жилых домах происходит от попадания молний.

Необходимость установки системы защиты от импульсных помех, в том числе и от ударов молний, очевидна, когда речь идет о складах боеприпасов и взрывчатых веществ, на нефте- и газоперерабатывающих заводах. Очень важно установить ее на промышленных предприятиях, где это предписано ПУЭ (Правилами устройства электроустановок) и стандартами ГОСТ. Но, к сожалению, для частных домов и коттеджей в российских инструкциях еще не является обязательной установка системы грозозащиты и защиты от перенапряжений. Такая необязательность имеет высокую цену. При ударе молнии наведенные импульсные помехи могут повредить компьютерную сеть, дорогие электрические и электронные приборы, может пострадать человек. Установка системы грозозащиты, стоимость которой неизмеримо ниже потерь, принесенных одним ударом молнии, исключит риск.Иначе чем мы отличаемся от людей, живших 200 лет назад и пытавшихся защититься от грозы беспрерывным колокольным звоном?

Что такое перенапряжение?

Перенапряжением является уровень прикладываемого к прибору или системе напряжения, превышающего предписываемый стандартом, при котором возможно нарушение изоляции или работоспособности устройства за определенный период времени.

Здесь мы будем рассматривать перенапряжение как импульсные помехи со временем нарастания фронта менее единиц миллисекунд. Основными причинами их возникновения являются:

• молнии, возникающие при грозе;
• переходные процессы при переключении;
• электростатический разряд;
• неисправное оборудование.

Грозовые разряды (молнии) несут в себе токи порядка 200 кА. При ударе молнии в атмосфере создается канал ионизированного воздуха, по которому происходит разряд. Длительность импульса может достигать 1–500 мкс, а напряжение — 100 кВ. Как правило, 90% энергии отводится внешними громоотводами, а 10% попадает в электрические цепи здания, что может повлиять на электрические или электронные приборы как прямым воздействием тока, так и через наведенные потенциалы.

Переходные процессы при переключении встречаются в жизни намного чаще, чем разряды молний. Например, в обычной сети электропитания переменного тока при переключении силовых приборов или короткогозамыкания возникает очень быстрое изменение тока со временем нарастания фронта импульса менее единиц микросекунд. В системах с реактивной нагрузкой это вызывает переходные процессы, ведущие к возникновению перенапряжения в виде высокочастотных колебаний или высоковольтных пиков напряжения.

Электростатический разряд (ESD) возникает при освобождении заряда, накопленного при трении. Заряд может достигать десятков тысяч вольт. Такой импульс может вывести из строя, например, электронную микросхему при ее пайке, если монтажник не надел на руку заземляющий браслет.

Компоненты для построения устройств защиты от импульсного перенапряжения

Основным принципом защиты от перенапряжения является подавление импульсной помехи длительностью менее единиц микросекунд. Для этого нужно, чтобы защитное устройство имело время реакции меньше длительности импульса перенапряжения, поглощало его энергию в количестве, достаточном для устранения его воздействия на систему, имело остаточное напряжение, близкое к номинальному значению напряжения защищаемой цепи.

В устройствах защиты от перенапряжения фирма Weidmuller использует три типа электронных приборов. Это газоразрядное устройство, варистор и суппрессор-диод (рис. 1).

Рис. 1

Газоразрядное устройство содержит трубку, заполненную аргоном или неоном и имеющую электроды, сделанные из специального сплава. Все это помещено в стеклянный или керамический корпус. Когда к такому устройству прикладывается высокое импульсное напряжение со скоростью около 1 кВ/мкс, в трубке возникает разряд. Чем меньше скорость нарастания фронта, тем выше должно быть напряжение, «зажигающее» разряд. Через такое устройство может проходить ток до 100 кА. Несмотря на отличную способность снижать напряжение, газоразрядник имеет время реакции от сотен наносекунд до единиц микросекунд, что в десятки раз медленнее по сравнению с металлооксидными варисторами. Эти электронные приборы по своей сути являются резисторами с сопротивлением, зависящим от приложенного напряжения, изготавливаются из оксида цинка и имеют форму диска. При повышении напряжения выше номинального варисторы в течение 25 нс резко повышают сопротивление, ограничивая сигнал до величины остаточного напряжения порядка ста вольт. Такие приборы способны работать с током до 40–80 кА. Недостатком варисторов является их старение после каждого разряда, что сокращает время службы прибора до нескольких лет. Его емкость составляет более 1000 пФ и не позволяет использовать варисторы для защиты сигналов с частотой выше 100 кГц. В таких случаях лучшим решением является применение быстродействующего суппрессор-диода. Он работает по принципу стабилитрона, но отличается от него скоростью переключения, лежащей в пикосекундном диапазоне, и способностью пропускать ток до 200 A.

Каждый из описанных приборов не является идеальным подавителем помехи, поэтому в устройствах защиты от перенапряжения фирмы Weidmuller используются комбинации этих электронных приборов.

Когда импульс перенапряжения с амплитудой 10 кВ и скоростью нарастания фронта порядка 1 кВ/мкс поступает на вход схемы, изображенной на рис. 2, он вызывает разряд в газоразрядной трубке, который снижает амплитуду импульса до 600–700 В. Варистор снизит напряжение до 100 В. При проходе через суппрессор-диод амплитуда снижается до 35 В. Последовательность срабатывания этих устройств определяется индуктивностями. Если фронт импульса перенапряжения на входе системы пологий, то есть скорость его нарастания меньше 1 кВ/мкс, то разряда в газоразрядной трубке не возникает, а импульс перенапряжения подавляется следующими ступенями защиты — варистором и суппрессор-диодом.

Рис. 2

Защита цепей электропитания

В системе защиты от перенапряжений, предлагаемой фирмой Weidmuller, объектом защиты от перенапряжения являются цепи электропитания, контрольно-измерительные линии и сети передачи данных внутри здания (завода, жилого дома, учреждения и т. д.). Поэтому принципы и средства внешней защиты в этой статье не рассматриваются.

Основным принципом защиты цепей электропитания является разделение всех приборов по классу изоляции согласно национальным стандартам и на зоны защиты. Зона защиты характеризуется наличием полностью замкнутого экранированного контура, который обеспечивает эквипотенциальное заземление. Например, это может быть металлический фасад здания или металлическая арматура стен. Линии электропитания, пересекающие этот контур, должны быть защищены. Внутри этой зоны могут быть устроены зоны защиты следующего, более низкого, уровня. Смысл этого разделения в том, что не нужно, например, каждый станок индивидуально защищать от прямого удара молнии. Достаточно разделить все приборы на группы и защитить каждую группу соответственно.

Согласно такому принципу защита от перенапряжения имеет три уровня (рис. 3). Защита от молний с уровнем до 6 кВ располагается на входном распределительном щите, сразу после главных предохранителей. После счетчика электроэнергии на электрощите располагаются устройства защиты с уровнем 4 кВ. Примером может служить распределительный щиток, расположенный на каждом этаже жилого дома. Защита же электрического оборудования и электронных приборов с уровнем 2,5 кВ размещается непосредственно рядом с защищаемым объектом. Например, компьютер включается в розетку со встроенной защитой.

Рис. 3

Все устройства для защиты от перенапряжения соответствуют международному стандарту CEI IEC61643-1, принятому в 1998 году, который определяет уровни защиты как классы I, II и III.

Устройства, классифицированные по первому классу, срабатывают в самых экстремальных условиях — при прямом попадании молнии, при токах не менее 20 кА. Стандарт предписывает тестовое время нарастания фронта импульса тока 10 мкс, а время спада импульса до половины значения — 350 мкс. В технической документации это обозначается как характеристика кривой импульса 10/350 мкс.

Фирма Weidmuller предлагает устройства первого класса для молниезащиты (рис. 4) PU 1 TSG+, которые содержат газоразрядную трубку и могут пропускать ток 50 кА при уровне напряжения защиты 0,9 и 1,5 кВ и времени реакции менее 100 нс. PU 1 TSG пропускает ток 35 кA, срабатывает при 0,9 и 1,5 кВ; время реакции менее 1 мкс. Все эти приборы содержат электронную схему управления, которая при возникновении импульса перенапряжения сразу же зажигает разряд в трубке, тем самым снижая порог защиты и уменьшая время реакции. Обе модели работают в диапазоне температур от –40 до +85 °С, имеют индикатор исправности электронного блока и сертифицированы согласно стандартам UL и KEMA.

Рис. 4

Существуют также устройства защиты первого класса, содержащие мощные варисторы (рис. 5). Для четырехпроводных систем электроразводки, например, TN-ТТ с объединенными нейтральным проводом и землей (L1-L3, PEN) предназначены блоки PU 3 B (230/400 В, 20 кА). Они содержат сменные модули с дисплеями индикации. При прохождении импульса перенапряжения индикатор меняет цвет с зеленого на красный. При визуальном осмотре сработавшие съемные модули заменяются. Блоки имеют два выхода соединения с землей для увеличения скорости отвода тока. Модель PU 3 BR имеет встроенное реле для фиксации состояния варистора при удаленном контроле результатов диагностики системы. Для пятипроводных систем разводки электропитания, например, TN-TS с раздельными линиями нейтрали и земли (L1-L3, PE, N), применяются блоки с четырьмя съемными модулями PU 4 B(BR) (230/400 В 25 кА). Все устройства крепятся на рейку TS35 и устанавливаются внутри корпуса или на распределительном щите.

Рис. 5

Устройства защиты от перенапряжения, принадлежащие ко второму классу, применяются в цепях разводки электропитания. Для однополюсного подключения стандарт предписывает тестовый ток 15 кА и характеристику кривой тестового импульса 8/20 мкс, а для 3- и 4-полюсного подключения — 100 кА и 8/20 мкс соответственно.

В номенклатуре фирмы имеется широкий спектр блоков типа PU x C(CR) (рис. 6), содержащих от 1 до 4 съемных модулей с различными комбинациями варисторов и встроенными реле для работы с напряжениями 115, 230, 470 В. Модели PU 4 C TT предназначены специально для применения в четырехпроводной системе типа TN-ТТ и содержат оранжевый модуль, содержащий газоразрядник для подключения между нейтральным проводом и землей.

Рис. 6

Устройства третьего класса предназначены для защиты оборудования: компьютеров, машин, станков. Тестовое напряжение составляет 20 кВ, ток — 10 кА, характеристика импульса 8/20 мкс.

Серия приборов для защиты от перенапряжения третьего класса PU D (рис. 7) служит для защиты низковольтного оборудования и электронных приборов от наведенных потенциалов и переключений в сети. PU D устанавливаются после PU C непосредственно перед защищаемым прибором. Уровень защиты цепей — до 16 А. К устройствам защиты III класса относят также и переходники типа PU D ZS (рис. 8) для цифрового и аналогового телефонного оборудования, а также телефонные розетки для аналогового и ISDN-сигналов (рис. 9).

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Примеры инсталляции системы защиты цепей электропитания в промышленном здании и в типовом жилом доме показаны на рис. 10–11. Цифры рядом со значками молнии обозначают класс устройства защиты.

Рис. 10

Рис. 11

Как правило, система защиты от перенапряжения закладывается на этапе проектирования дома. Правильное планирование конструкции здания и электроразводки позволяет снизить цену системы защиты. Очень важным элементом защитной системы является правильное заземление. На рисунках видно, что оно представляет собой замкнутый контур, включая громоотвод на крыше и проводник максимально возможной площади под зданием. На разных уровнях заземление соединяется с арматурой стен, создавая везде единый эквипотенциальный контур. Уровень сопротивления земляной цепи по российским стандартам не должен превышать 10 Ом. За рубежом этот показатель составляет 2–8 Ом. Для этого площадь поперечного сечения штыря, идущего в землю, увеличивают до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень сопротивления земляной цепи. Для уменьшения сопротивления в землю также вкапывается медный лист, чтобы увеличить площадь контакта с землей. Если сопротивление земли будет недостаточно малым, вся система защиты от перенапряжения не будет работать, поскольку не будет обеспечен достаточный отвод тока, часть которого уйдет в цепи электропитания, повреждая электрооборудование и приборы.

Защита от перенапряжения контрольно-измерительных линий

Современные технологии автоматизации производства представляют собой широкое поле для внедрения систем защиты от перенапряжения для контрольно-измерительных линий. Здесь выявляются наиболее критичные участки, повреждения на которых могутпривести к самым тяжелым последствиям. Например, на тепловой электростанции уровень температуры в огромных башнях-охладителях измеряется датчиком. Сигнал от датчика идет по длинным проводам в здание, где происходит сбор информации для обработки в контроллере. И около датчика, и около контроллера ставится защита от перенапряжения. Настоящей мечтой автомобилистов является реально действующая за рубежом система защиты сигналов управления светофорами на базе PU 2 C.

В отличие от зонной концепции защиты цепей электропитания, система защиты контрольно-измерительных линий базируется на типе защищаемого сигнала.

Некоторые исполнительные устройства требуют управления дискретным сигналом. Например, переключатели, входы контроллеров управления, фотоэлектрические барьеры, датчики положения, шаговые двигатели, др. Обычно такие сигналы имеют общий относительный потенциал, который может подсоединяться или не подсоединяться к потенциалу земли. Защита таких схем, соединенных с земляным потенциалом, содержит газоразрядник, варистор и суппрессор-диод, разделенные индуктивностями. Weidmuller предлагает применять в таких случаях устройства типа MCZ, DKU, EGU, LPU. В схемы, не соединенные с земляным потенциалом, между общим потенциалом и земляным устанавливается газоразрядное устройство. Рекомендуемая схема защиты — LPU.

Аналоговые сигналы нуждаются в защите при осуществлении измерений. Например, двухпроводные токовые петли или сигналы напряжения, не имеющие общего относительного потенциала, такие, как токовая петля 0(4)…20 мА, требуют защиты обеих линий. При температурных измерениях, например, с помощью PT100 RTD, защищаются все три или четыре используемые провода. Обычно используется защита газоразрядниками и суппрессор-диодами (рис. 12).

Рис. 12

Weidmuller предлагает самый широкий спектр защитных устройств почти для всех случаев, встречающихся на практике,— MCU OVP CL, DK5U, DK6U, LPU, EGU 3 и EGU 4 для токовых петель, RSU 6 А, RSU 10 A.

Пожалуй, самыми интересными являются устройства защиты серии MCZ OVP, выполненные в виде клемм для установки на монтажную шину (рис. 13). Их ширина составляет всего 6 мм, в них применяется пружинный зажим для присоединения проводников сечением до 1,5 мм². Они напрямую заземлены на шину, что ускоряет монтаж. В серию входят устройства с полным набором компонентов — газоразрядником, варистором и суппрессор-диодом, разделенными индуктивностями. Есть также и устройства с одиночными элементами, они дополняют серию и предоставляют полную гибкость при разработке компактной системы защиты.

Рис. 13

Такие «клеммы» при разряде могут отводить ток до 10 кА при характеристике импульса 8/20 мкс. Конечно, при этом монтажная шина, на которой установлено устройство, должна быть соответствующе заземлена. Уровень защиты, в зависимости от модели, составляет от 40 до 1600 В. Существуют клеммы для работы с напряжением 24, 48, 115 и 230 В, для работы с токовой петлей и дискретным сигналом, в зависимости от конфигурации.

Рис. 14

Серия DK (рис. 14) отличается очень высокой защитной способностью от 30 до 950 В при минимальном объеме устройства и величине отводимого тока от 7 до 24 кА. Например, клемма DKU c трехступенчатой защитой и разделительными индуктивностями имеет длину всего 65 мм. Ширина колеблется от 6 до 12 мм в зависимости от модели. Эти защитные клеммы работают при напряжениях 24, 48, 115 и 230 В и имеют винтовой зажим для проводников сечением до 4 мм². Модели DKU содержат трехступенчатую схему защиты и используются для работы с дискретным сигналом. DK 5 U и DK 6 U содержат два газоразрядника, два варистора и суппрессор-диод, что делает их необходимыми для защиты токовой петли. DK 4 U содержит только варистор-компоненты. Все клеммы этой серии работают при температуре окружающей среды от –25 до +60 °С.

Серия EGU (рис. 15) имеет высокую двухи трехступенчатую степень защиты при работе с токами от 1,5 А, серия RSU (рис. 16) с трехступенчатой защитой — до 10 А. В моделях обеих серий используется винтовой зажим для проводников сечением до 4 мм2, они хорошо подходят для задач автоматизации производства. Серия EGU имеет корпус, который может поворачиваться на 180° для более удобного монтажа. Серия RSU предназначена для защиты сигналов питания логических контроллеров.

Рис. 15

Рис. 16

Серия LPU имеет интересную особенность — электронный модуль является съемным. Он вынимается из корпуса, который одинаков для всех моделей и заказывается отдельно. Стандартный корпус SEG (рис. 15) содержит винтовые зажимы, но можно установить любые удобные — от ножевых до контактов накруткой. Модули имеют трехступенчатую систему защиты от перенапряжения и работают с токами до 1,5 А и с рядом напряжений 24, 48, 115 и 230 В. При разряде модули могут пропускать ток 6 кА, уровень защиты составляет 34–820 В в зависимости от типа устройства.

Благодаря многообразию моделей эту серию можно использовать для защиты дискретных, аналоговых сигналов 0–20 мА, схем с плавающим потенциалом, например, термопары.

Защита систем передачи данных

Задача защиты шин данных наиболее остро стоит на заводах, оснащенных промышленными сетями. Например, аналоговые данные от множества датчиков преобразуются в цифровой вид с помощью аналого-цифровых преобразователей и поступают в контроллер. После обработки данных децентрализованный контроллер должен послать эти данные на центральный диспетчерский пункт, который находится в другом цехе. Weidmuller создал защиту от перенапряжения для сетей, использующих типы интерфейсов RS232, RS422, RS485, а также для сетей LON^TM (витая пара) и EIB (European Installation Bus).

Для последовательного интерфейса RS232 Weidmuller предлагает модули защиты типа ZS RS232 (рис. 17), которые состоят из суппрессор-диодов, подключенных между общим потенциалом и линиями данных. Общий потенциал соединен с землей через газоразрядник. Модуль подключается непосредственно к компьютеру. Модуль EGU 4 EG3 RS232 устанавливается прямо на монтажную шину.

Рис. 17

Для защиты сигналов интерфейсов RS485/422 используются устройства защиты от перенапряжения типа LPU RS422/RS485 со съемным электронным модулем для установки на монтажную шину. RS485 в алюминиевом корпусе (рис. 18) создан специально для промышленного применения. Его рабочее напряжение составляет ±12 В, он пропускает ток до 10 кА, напряжение зажигания разряда в газоразрядной трубке — 90 В. При поступлении на вход импульса со скоростью нарастания фронта 1 кВ/мкс напряжение на выходе составляет менее 18 В, максимальная скорость передачи данных — 6 Мбит/с. Время отклика составляет менее 5 нс, рабочая температура –25…+60 °С.

Рис. 18

Реализация аппаратной защиты по току / Хабр

Сегодня моя статья будет носить исключительно теоретический характер, вернее в ней не будет «железа» как в предыдущих статьях, но не расстраивайтесь — менее полезной она не стала. Дело в том, что проблема защиты электронных узлов напрямую влияет на надежность устройств, их ресурс, а значит и на ваше важное конкурентное преимущество —

возможность давать длительную гарантию на продукцию

. Реализация защиты касается не только моей излюбленной силовой электроники, но и любого устройства в принципе, поэтому даже если вы проектируете IoT-поделки и у вас скромные 100 мА — вам все равно нужно понимать как обеспечить безотказную работу своего устройства.

Защита по току или защита от короткого замыкания (КЗ) — наверное самый распространенный вид защиты потому, что пренебрежение в данном вопросе вызывает разрушительные последствия в прямом смысле. Для примера предлагаю посмотреть на стабилизатор напряжения, которому стало грустно от возникшего КЗ:

Диагноз тут простой — в стабилизаторе возникла ошибка и в цепи начали протекать сверхвысокие токи, по хорошему защита должна была отключить устройство, но что-то пошло не так. После ознакомления со статьей мне кажется вы и сами сможете предположить в чем могла быть проблема.

Что касается самой нагрузки… Если у вас электронное устройство размером со спичечный коробок, нет таких токов, то не думайте, что вам не может стать так же грустно, как стабилизатору. Наверняка вам не хочется сжигать пачками микросхемы по 10-1000$? Если так, то приглашаю к ознакомлению с принципами и методами борьбы с короткими замыканиями!

Цель статьи

Свою статью я ориентирую на людей для которых электроника это хобби и начинающих разработчиков, поэтому все будет рассказываться «на пальцах» для более осмысленного понимания происходящего. Для тех, кому хочется академичности — идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».

Отдельно хотелось сказать о том, что все решения будут аппаратными, то есть без микроконтроллеров и прочих извращений. В последние годы стало совсем модно программировать там где надо и не надо. Часто наблюдаю «защиту» по току, которая реализуется банальным измерением напряжения АЦП какой-нибудь arduino или микроконтроллером, а потом устройства все равно выходят из строя. Я настоятельно не советую вам делать так же! Про эту проблему я еще дальше расскажу более подробно.

Немного о токах короткого замыкания

Для того, чтобы начать придумывать методы защиты, нужно сначала понять с чем мы вообще боремся. Что же такое «короткое замыкание»? Тут нам поможет любимый закон Ома, рассмотрим идеальный случай:

Просто? Собственно данная схема является эквивалентной схемой практически любого электронного устройства, то есть есть источник энергии, который отдает ее в нагрузку, а та греется и что-то еще делает или не делает.

Условимся, что мощность источника позволяет напряжению быть постоянным, то есть «не проседать» под любой нагрузкой. При нормальной работе ток, действующий в цепи, будет равен:

Теперь представим, что дядя Вася уронил гаечный ключ на провода идущие к лампочке и наша нагрузка уменьшилась в 100 раз, то есть вместо R она стала 0,01*R и с помощью нехитрых вычислений мы получаем ток в 100 раз больше. Если лампочка потребляла 5А, то теперь ток от нагрузки будет отбираться около 500А, чего вполне хватит чтобы расплавить ключ дяди Васи. Теперь небольшой вывод…

Короткое замыкание — значительное уменьшение сопротивления нагрузки, которое ведет к значительному увеличению тока в цепи.

Стоит понимать, что токи КЗ обычно в сотни и тысячи раз больше, чем ток номинальный и даже короткого промежутка времени хватает, чтобы устройство вышло из строя. Тут наверняка многие вспомнят о электромеханических устройствах защиты («автоматы» и прочие), но тут все весьма прозаично… Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А. Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А. Даже если произойдет КЗ, то автомат долго будет этого не замечать и отключит нагрузку, только когда все уже сгорит. Это скорее защита от пожара, а не защита техники.

Теперь давайте рассмотрим еще один, часто встречающийся случай — сквозной ток. Покажу я его на примере dc/dc преобразователя с топологией синхронный buck, все MPPT контроллеры, многие LED-драйвера и мощные DC/DC преобразователи на платах построены именно по ней. Смотрим на схему преобразователя:

На схеме обозначены два варианта превышения тока: зеленый путь для «классического» КЗ, когда произошло уменьшение сопротивления нагрузки («сопля» между дорог после пайки, например) и оранжевый путь. Когда ток может протекать по оранжевому пути? Я думаю многие знают, что сопротивление открытого канала полевого транзистора очень небольшое, у современных низковольтных транзисторов оно составляет 1-10 мОм. Теперь представим, что на ключи одновременно пришел ШИМ с высоким уровнем, то есть оба ключа открылись, для источника «VCCIN — GND» это равносильно подключению нагрузки сопротивлением около 2-20 мОм! Применим великий и могучий закон Ома и получим даже при питании 5В значение тока более 250А! Хотя не переживайте, такого тока не будет — компоненты и проводники на печатной плате сгорят раньше и разорвут цепь.

Данная ошибка очень часто возникает в системе питания и особенно в силовой электронике. Она может возникать по разным причинам, например, из-за ошибки управления или длительных переходных процессах. В последнем случае не спасет даже «мертвое время» (deadtime) в вашем преобразователе.

Думаю проблема понятна и многим из вас знакома, теперь понятно с чем нужно бороться и осталось лишь придумать КАК. Об этом и пойдет дальнейший рассказ.

Принцип работы защиты по току

Тут необходимо применить обычную логику и увидеть причинно-следственную связь:

1) Основная проблема — большое значения тока в цепи;

2) Как понять какое значение тока? -> Измерить его;

3) Измерили и получили значение -> Сравниваем его с заданным допустимым значением;

4) Если превысили значение -> Отключаем нагрузку от источника тока.

Измерить ток -> Узнать превысили ли допустимый ток -> Отключить нагрузку

Абсолютно любая защита, не только по току, строится именно так. В зависимости от физической величины по которой строится защита, будут возникать на пути реализации разные технические проблемы и методы их решения, но суть неизменна.

Теперь предлагаю по порядку пройти по всей цепочки построения защиты и решить все возникающие технические проблемы. Хорошая защита — это защита, которую предусмотрели заранее и она работает. Значит без моделирования нам не обойтись, я буду использовать популярный и бесплатный MultiSIM Blue, который активно продвигается Mouser-ом. Скачать его можно там же — ссылка. Также заранее скажу, что в рамках данной статьи я не буду углубляться в схемотехнические изыски и забивать вам голову лишними на данном этапе вещами, просто знайте, что все немного сложнее в реальном железе будет.

Измерение тока

Это первый пункт в нашей цепочке и наверное самый простой для понимания. Измерить ток в цепи можно несколькими способами и у каждого есть свои достоинства и недостатки, какой из них применить конкретно в вашей задаче — решать только вам. Я же расскажу, опираясь на свой опыт, о этих самых достоинствах и недостатках. Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.

1) Токовый шунт. Основа основ, «работает» все на том же великом и могучем законе Ома. Самый простой, самый дешевый, самый быстрый и вообще самый самый способ, но с рядом недостатков:

а) Отсутствие гальванической развязки. Ее вам придется реализовывать отдельно, например, с помощью быстродействующего оптрона. Реализовать это не сложно, но требует дополнительного места на плате, развязанного dc/dc и прочие компоненты, которые стоят денег и добавляют габаритных размеров. Хотя гальваническая развязка нужна далеко не всегда, разумеется.

б) На больших токах ускоряет глобальное потепление. Как я ранее писал, «работает» это все на законе Ома, а значит греется и греет атмосферу. Это приводит к уменьшению КПД и необходимости охлаждать шунт. Есть способ минимизировать этот недостаток — уменьшить сопротивления шунта. К сожалению бесконечно уменьшать его нельзя и вообще я бы не рекомендовал уменьшать его менее 1 мОм, если у вас пока еще мало опыта, ибо возникает необходимость борьбы с помехами и повышаются требования к этапу конструирования печатной платы.

В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E:

Измерение тока происходит путем измерения падения напряжения на шунте, например, при протекании тока 30А на шунте будет падение:

То есть, когда мы получим на шунте падение 60 мВ — это будет означать, что мы достигли предела и если падение увеличится еще, то нужно будет отключать наше устройство или нагрузку. Теперь давайте посчитаем сколько тепла выделится на нашем шунте:

Не мало, правда? Этот момент надо учитывать, т.к. предельная мощность моего шунта составляет 2 Вт и превышать ее нельзя, так же не стоит припаивать шунты легкоплавким припоем — отпаяться может, видел и такое.

Рекомендации по использованию:

• Используйте шунты, когда у вас большое напряжение и не сильно большие токи
• Следите за количеством выделяемого на шунте тепла
• Используйте шунты там, где нужно максимальное быстродействие
• Используйте шунты только из специальным материалов: константана, манганина и подобных

2)

Датчики тока на эффекте Холла

. Тут я допущу себе собственную классификацию, которая вполне себе отражает суть различных решений на данном эффекте, а именно:

дешевые

и

дорогие

.

а) Дешевые, например, ACS712 и подобные. Из плюсов могу отметить простоту использования и наличия гальванической развязки, на этом плюсы кончаются. Основным недостатком является крайне нестабильное поведение под воздействием ВЧ помех. Любой dc/dc или мощная реактивная нагрузка — это помехи, то есть в 90% случаев данные датчики бесполезны, ибо «сходят с ума» и показывают скорее погоду на Марсе. Но не зря же их делают?

Они имеют гальваническую развязку и могут измерять большие токи? Да. Не любят помехи? Тоже да. Куда же их поставить? Правильно, в систему мониторинга с низкой ответственностью и для измерения тока потребления с аккумуляторов. У меня они стоят в инверторах для СЭС и ВЭС для качественной оценки тока потребления с АКБ, что позволяет продлить жизненный цикл аккумуляторов. Выглядят данные датчики вот так:

б) Дорогие. Имеют все плюсы дешевых, но не имеют их минусов. Пример такого датчика LEM LTS 15-NP:

Что мы имеем в итоге:
1) Высокое быстродействие;
2) Гальваническую развязку;
3) Удобство использования;
4) Большие измеряемые токи независимо от напряжения;
5) Высокая точность измерения;
6) Даже «злые» ЭМИ не мешают работе и не; влияют на точность.

Но в чем тогда минус? Те, кто открывали ссылку выше однозначно его увидели — это цена. 18$, Карл! И даже на серии 1000+ штук цена не упадет ниже 10$, а реальная закупка будет по 12-13$. В БП за пару баксов такое не поставить, а как хотелось бы… Подведем итог:

а) Это лучшее решение в принципе для измерения тока, но дорогое;
б) Применяйте данные датчики в тяжелых условиях эксплуатации;
в) Применяете эти датчики в ответственных узлах;
г) Применяйте их если ваше устройство стоит очень много денег, например, ИБП на 5-10 кВт, там он себя однозначно оправдает, ведь цена устройства будет несколько тысяч $.

3) Трансформатор тока. Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два — не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики. Плюсы — дешево, надежно и можно измерять просто огромнейшие токи. Именно на трансформаторах тока построены системы автоматики и защиты в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на предприятиях, а там тысячи ампер вполне себе нормальное явление.

Честно говоря, я стараюсь их не использовать, ибо не люблю, но в различных шкафах управления и прочих системах на переменном токе все таки ставлю, т.к. стоят они пару $ и дают гальваническую развязку, а не 15-20$ как LEM-ы и свою задачу в сети 50 Гц отлично выполняют. Выглядят обычно вот так, но бывают и на всяких EFD сердечниках:

Пожалуй с методами измерения тока можно закончить. Я рассказал об основных, но разумеется не обо всех. Для расширения собственного кругозора и знаний, советую дополнительно хотя бы погуглить да посмотреть различные датчики на том же digikey.

Усиление измеренного падения напряжения

Дальнейшее построение системы защиты пойдет на базе шунта в роли датчика тока. Давайте строить систему с ранее озвученным значением тока в 30А. На шунте мы получаем падение 60 мВ и тут возникают 2 технические проблемы:

а) Измерять и сравнивать сигнал с амплитудой 60 мВ неудобно. АЦП имеют обычно диапазон измерений 3.3В, то есть при 12 битах разрядности мы получаем шаг квантования:

Это означает, что на диапазон 0-60 мВ, который соответствует 0-30А мы получим небольшое количество шагов:

Получаем, что разрядность измерения будет всего лишь:

Стоит понимать, что это идеализированная цифра и в реальности они будет в разы хуже, т.к. АЦП сам по себе имеет погрешность, особенно в районе нуля. Конечно АЦП для защиты мы использовать не будем, но измерять ток с этого же шунта для построения системы управления придется. Тут задача была наглядно объяснить, но это так же актуально и для компараторов, которые в районе потенциала земли (0В обычно) работают весьма нестабильно, даже rail-to-rail.

б) Если мы захотим протащить по плате сигнал с амплитудой 60 мВ, то через 5-10 см от него ничего не останется из-за помех, а в момент КЗ рассчитывать на него точно не придется, т.к. ЭМИ дополнительно возрастут. Конечно можно схему защиты повесить прямо на ногу шунта, но от первой проблемы мы не избавимся.

Для решения данных проблем нам понадобится операционный усилитель (ОУ). Рассказывать о том, как он работает не буду — тема отлично гуглится, а вот о критичных параметрах и выборе ОУ мы поговорим. Для начала давайте определимся со схемой. Я говорил, что особых изяществ тут не будет, поэтому охватим ОУ отрицательной обратной связью (ООС) и получим усилитель с известным коэффициентов усиления. Данное действия я смоделирую в MultiSIM (картинка кликабельна):

Скачать файл для симуляции у себя можно — тут.

Источник напряжения V2 выполняет роль нашего шунта, вернее он симулирует падение напряжения на нем. Для наглядности я выбрал значение падения равное 100 мВ, теперь нам нужно усилить сигнал так, чтобы перенести его в более удобное напряжение, обычно между 1/2 и 2/3 V_ref. Это позволит получить большое количество шагов квантования в диапазон токов + оставить запас на измерения, чтобы оценить насколько все плохо и посчитать время нарастания тока, это важно в сложных системах управления реактивной нагрузкой. Коэффициент усиления в данном случае равен:

Таким образом мы имеем возможность усилить сигнал наш сигнал до требуемого уровня. Теперь рассмотрим на какие параметры стоит обратить внимание:

• ОУ должен быть rail-to-rail, чтобы адекватно работать с сигналами около потенциала земли (GND)
• Стоит выбирать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного сигнала. У моего любимого OPA376 этот параметр равен 2В/мкс, что позволяет достигать максимальное выходное значение ОУ равное VCC 3.3В всего за 2 мкс. Этого быстродействия вполне достаточно, чтобы спасти любой преобразователь или нагрузку с частотами до 200 кГц. Данные параметры стоит понимать и включать голову при выборе ОУ, иначе есть шанс поставить ОУ за 10$ там, где хватило бы и усилителя за 1$
• Полоса пропускания, выбираемого ОУ, должна быть как минимум в 10 раз больше, чем максимальная частота коммутации нагрузки. Опять же ищите «золотую середину» в соотношение «цена/ТТХ», все хорошо в меру

В большинстве своих проектов я использую ОУ от Texas Instruments — OPA376, его ТТХ хватает для реализации защиты в большинстве задач и ценник в 1$ вполне себе хорош. Если вам необходимо дешевле, то смотрите на решения от ST, а если еще дешевле, то на Microchip и Micrel. Я по религиозным соображениям использую только TI и Linear, ибо оно мне нравится и сплю так спокойнее.

Добавляем реализм в систему защиты

Давайте теперь в симуляторе добавим шунт, нагрузку, источник питания и прочие атрибуты, которые приблизят нашу модель к реальности. Полученный результат выглядит следующим образом (картинка кликабельная):

Скачать файл симуляции для MultiSIM можно — тут.

Тут уже мы видим наш шунт R1 с сопротивлением все те же 2 мОм, источник питания я выбрал 310В (выпрямленная сеть) и нагрузкой для него является резистор 10.2 Ом, что опять по закону Ома дает нам ток:

На шунте как видите падают, ранее посчитанные, 60 мВ и их мы усиливаем с коэффициентом усиления:

На выходе мы получаем усиленный сигнал с амплитудой 3.1В. Согласитесь, его уже и на АЦП можно подать, и на компаратор и протащить по плате 20-40 мм без каких либо опасений и ухудшения стабильности работы. С этим сигналом мы и будем далее работать.

Сравнение сигналов с помощью компаратора

Компаратор — это схема, которая принимает на вход 2 сигнала и в случае если амплитуда сигнала на прямом входе (+) больше, чем на инверсном (-), то на выходе появляется лог. 1 (VCC). В противном случае лог. 0 (GND).

Формально любой ОУ можно включить как компаратор, но такое решение по ТТХ будет уступать компаратору по быстродействию и соотношению «цена/результат». В нашем случае, чем выше быстродействие, тем выше вероятность, что защита успеет отработать и спасти устройство. Я люблю применять компаратор, опять же от Texas Instrumets —

LMV7271

. На что стоит обратить внимание:

• Задержка срабатывания, по факту это основной ограничитель быстродействия. У указанного выше компаратора это время около 880 нс, что достаточно быстро и во многих задачах несколько избыточно по цене в 2$ и вы можете подобрать более оптимальный компаратор
• Опять же — советую использовать rail-to-rail компаратор, иначе на выходе у вас будет не 5В, а меньше. Убедиться в этом вам поможет симулятор, выберите что-то не rail-to-rail и поэкспериментируйте. Сигнал с компаратора обычно подается на вход аварии драйверов (SD) и хорошо бы иметь там устойчивый TTL сигнал
• Выбирайте компаратор с выходом push-pull, а не open-drain и другие. Это удобно и имеем прогнозируемые ТТХ по выходу

Теперь давайте добавим компаратор в наш проект в симуляторе и посмотрим на его работу в режиме, когда защита не сработала и ток не превышает аварийный (кликабельная картинка):

Скачать файл для симуляции в MultiSIM можно — тут.

Что нам нужно… Нужно в случае превышения тока более 30А, чтобы на выходе компаратора был лог. 0 (GND), этот сигнал будет подавать на вход SD или EN драйвера и выключать его. В нормальном состоянии на выходе должна быть лог. 1 (5В TTL) и включать работу драйвера силового ключа (например, «народный» IR2110 и менее древние).

Возвращаемся к нашей логике:
1) Измерили ток на шунте и получили 56.4 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 2.88В;
3) На прямой вход компаратора подаем опорный сигнал с которым будем сравнивать. Его задаем с помощью делителя на R2 и выставляет 3.1В — это соответствует току примерно в 30А. Данным резистором регулируется порог срабатывания защиты!
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В > 2.88В. На прямом входу (+) напряжение выше, чем на инверсном входе (-), значит ток не превышен и на выходе лог. 1 — драйвера работают, а наш светодиод LED1 не горит.

Теперь увеличиваем ток до значения >30А (крутим R8 и уменьшаем сопротивление) и смотрим на результат (кликабельная картинка):

Давайте пересмотри пункты из нашей «логики»:
1) Измерили ток на шунте и получили 68.9 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 3.4В;
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В < 3.4В. На прямом входу (+) напряжение НИЖЕ, чем на инверсном входе (-), значит ток превышен и на выходе лог. 0 — драйвера НЕ работают, а наш светодиод LED1 горит.

Почему аппаратная?

Ответ на этот вопрос простой — любое программируемое решение на МК, с внешним АЦП и прочее, могут попросту «зависнуть» и даже если вы достаточно грамотный софтописатель и включили сторожевой таймер и прочие защиты от зависания — пока оно все обработается ваше устройство сгорит.

Аппаратная защита позволяет реализовать систему с быстродействием в пределах нескольких микросекунд, а если бюджет позволяет, то в пределах 100-200 нс, чего достаточно вообще для любой задачи. Также аппаратная защита не сможет «зависнуть» и спасет устройство, даже если по каким-то причинам ваш управляющий микроконтроллер или DSP «зависли». Защита отключит драйвер, ваша управляющая схема спокойно перезапустится, протестирует аппаратную часть и либо подаст ошибку, например, в Modbus или запустится если все хорошо.

Тут стоит отметить, что в специализированных контроллерах для построения силовых преобразователей есть специальные входы, которые позволяют аппаратно отключить генерацию ШИМ сигнала. Например, у всеми любимого STM32 для этого есть вход BKIN.

Отдельно стоит сказать еще про такую вещь как CPLD. По сути это набор высокоскоростной логики и по надежности оно сопоставимо с аппаратным решением. Вполне здравым смыслом будет поставить на плату мелкую CPLD и реализовать в ней и аппаратные защиты, и deadtime и прочие прелести, если мы говорим о dc/dc или каких-то шкафах управления. CPLD позволяет сделать такое решение очень гибким и удобным.

Эпилог

На этом пожалуй и все. Надеюсь вам было интересно читать данную статью и она даст вам какие-то новые знания или освежит старые. Всегда старайтесь заранее думать какие модули в вашем устройстве стоит реализовать аппаратно, а какие программно. Часто реализация аппаратная на порядки проще реализации программной, а это ведет с экономии времени на разработке и соответственно ее стоимости.

Формат статьи без «железа» для меня новый и попрошу высказать ваше мнение в опросе.

Защита входов АЦП | Аналоговые устройства

Распространенная проблема, возникающая при проектировании схемы АЦП, — как защитить входы АЦП от перенапряжения. Защита входов АЦП имеет множество сценариев и потенциальных решений. В этом отношении у АЦП всех производителей схожие потребности. Эта статья дает представление о том, какие проблемы могут возникнуть в случае перенапряжения, как это происходит, и о возможных способах их устранения.

Перегрузка входов АЦП обычно происходит, когда шины управляющего усилителя значительно превышают максимальный входной диапазон АЦП — например, если усилитель работает от ± 15 В, а вход АЦП составляет от 0 В до 5 В.Это особенно часто встречается в промышленных конструкциях, где используются высоковольтные шины для приема входных сигналов ± 10 В, а также каскады формирования сигнала питания / драйвера перед АЦП, такие как модули ПЛК. Если возникает состояние отказа, такое, что усилитель привода переключается на рельсы, это может вызвать повреждение АЦП из-за превышения его максимального значения или нарушить одновременное / последующее преобразование в системе с несколькими АЦП. В этой статье основное внимание будет уделено тому, как защитить прецизионные АЦП последовательного приближения, такие как семейство AD798x, но ее также можно применить к другим типам АЦП.

Рассмотрим сценарий на рисунке 1.

Рис. 1. Типовая принципиальная схема прецизионного АЦП.

Эта схема представляет собой то, что мы видим в семействе AD798x (например, AD7980) АЦП PulSAR ^® . Между входом, опорным сигналом и землей есть защитные диоды. Эти диоды способны выдерживать большие токи до 130 мА, но только в течение нескольких миллисекунд, а не в течение более длительных периодов или повторяющихся перенапряжений. В некоторых продуктах, например в семействе деталей AD768x / AD769x (например, AD7685, AD7691), защитные диоды подключаются к выводу V _DD вместо REF.На этих деталях напряжение V _DD всегда больше или равно REF. Как правило, это работает лучше, поскольку V _DD — более жесткий рельс для зажима и не так чувствителен к возмущениям.

На Рисунке 1, если усилитель был направлен на шину +15 В, защитный диод на REF включится, и усилитель попытается перетащить узел REF вверх. Если узел REF не управляется мощной схемой драйвера, то напряжение на узле REF (и входе) поднимется выше абсолютного максимального номинального напряжения, и АЦП может быть поврежден, если напряжение превышает напряжение пробоя устройств в этом процессе. .На Рисунке 3 показан пример, когда драйвер АЦП стремится к 8 В и завышает опорное напряжение (5 В). Многие прецизионные эталоны не имеют возможности принимать ток, что является проблемой в этом сценарии. В качестве альтернативы схема управления опорным сигналом может быть достаточно сильной, чтобы поддерживать опорное значение, близкое к его номинальному значению, но все равно будет отклоняться от его точного значения.

В системе с несколькими АЦП с одновременной выборкой, использующей одно опорное напряжение, преобразования на других АЦП будут неточными, поскольку система зависит от высокоточного опорного напряжения.Последующие преобразования также могут быть неточными, если время восстановления после сбоя велико.

Существует несколько различных подходов к решению этой проблемы. Наиболее распространенным является использование диодов Шоттки (серия BAT54) для ограничения выходного сигнала усилителя до диапазона АЦП. См. Рисунок 2 и рисунок 3 для иллюстрации. Также можно использовать диоды для ограничения входа усилителя, если это соответствует потребностям приложения.

Рис. 2. Типовая принципиальная схема прецизионного АЦП с добавленной защитой диода Шоттки и стабилитрона.

Рисунок 3. Желтый = вход АЦП, фиолетовый = опорный. Слева — без диодов Шоттки, а справа — с диодами Шоттки.

В этом случае диоды Шоттки выбраны из-за их низкого прямого падения напряжения, так что они включаются раньше внутренних защитных диодов в АЦП. Последовательный резистор после диодов Шоттки также помогает ограничить ток в АЦП, если внутренние диоды слегка включаются. Для дополнительной защиты, если опорное напряжение практически не имеет способности к потребляемому току, на опорном узле можно использовать стабилитрон или фиксирующую схему, чтобы гарантировать, что опорное напряжение не будет слишком высоким.На рисунке 2 стабилитрон 5,6 В используется для опорного напряжения 5 В.

На рисунке 4 показан пример влияния на вход опорного сигнала (5 В) добавления диодов Шоттки на вход АЦП при перегрузке входа АЦП синусоидальной волной. Диоды Шоттки подключены к земле и к системной шине 5 В, способной пропускать ток. Без диодов Шоттки возникает опорное возмущение, когда входной сигнал превышает опорное значение и землю на диодное падение. Как видно, опорная помеха полностью устраняется диодами Шоттки.

Рисунок 4. Желтый = вход АЦП, зеленый = вход драйвера АЦП, фиолетовый = опорный сигнал (связь по переменному току). Левое изображение без диодов Шоттки. Правое изображение с добавленными диодами Шоттки (BAT54S).

Следует обратить внимание на обратный ток утечки диодов Шоттки, так как он может вносить искажения и нелинейность во время нормальной работы. Эта обратная утечка сильно зависит от температуры и обычно указывается в технических характеристиках диодов. Хорошим вариантом являются диоды Шоттки серии BAT54 (максимум 2 мкА при 25 ° C, ~ 100 мкА при 125 ° C).

Способом полного устранения проблем с перенапряжением является использование шины с одинарным питанием для усилителя. Это означает, что управляющий усилитель никогда не может качаться ниже уровня земли или выше максимального входного напряжения, если используется тот же уровень питания, что и для опорного напряжения (максимальное входное напряжение), которое в этом примере составляет 5 В. Можно использовать эталонную схему для непосредственного питания усилителя, если он имеет достаточный выходной ток и мощность возбуждения. Другая возможность, как показано на рисунке 5, — использовать немного меньшее опорное значение (например, 4.096 В при использовании шины 5 В), что приводит к значительному снижению перегрузки по напряжению.

Рис. 5. Типовая принципиальная схема прецизионного АЦП с однополярным питанием.

Эти подходы решают любую проблему с перегрузкой на входе, но компромисс будет ограничиваться размахом входного сигнала и диапазоном до АЦП из-за требований усилителя к запасу и пространству для ног. Как правило, выходной усилитель Rail-to-Rail может работать в пределах 10 мВ от шины, но также важно учитывать требования к запасу по входу, который может составлять 1 В или более, так как это еще больше ограничит размах в буфере и Конфигурация с единичным усилением.Этот подход предлагает самое простое решение с точки зрения отсутствия необходимости в дополнительных компонентах защиты, но зависит от наличия правильного напряжения питания и, возможно, усилителя ввода-вывода с шиной на вход / выход (RRIO).

Последовательность R в RC-фильтре между усилителем и входом АЦП также может использоваться для ограничения тока, наблюдаемого на входе АЦП в условиях перенапряжения. Однако это будет компромисс между ограничением тока и производительностью АЦП. Более крупная серия R обеспечит лучшую защиту входа, но приведет к большему искажению характеристик АЦП.Это может быть приемлемым компромиссом, особенно если полоса пропускания входного сигнала мала или АЦП не работает с полной пропускной способностью, поскольку в этом случае можно допустить большее количество последовательностей R. Приемлемый для приложения размер R может быть определен экспериментально.

Как обсуждалось ранее в статье, для защиты входа АЦП не существует решения «серебряной пули», но в зависимости от требований приложения могут быть приняты различные индивидуальные или комбинированные подходы для обеспечения желаемого уровня защиты с соответствующими компромиссами в производительности.

Дифференциальный драйвер операционного усилителя

защищает усилитель

Аннотация: В этой заметке по применению обсуждается, как эффективно защитить АЦП от входных перенапряжений, вызванных драйвером операционного усилителя. Новый MAX44205 представляет собой полностью дифференциальный драйвер АЦП с тактовой частотой 180 МГц, низким уровнем шума и искажений со встроенной функцией фиксации, позволяющей поддерживать размах выходного сигнала драйвера в пределах установленных для АЦП источников питания.

Введение

Высокопроизводительные полностью дифференциальные операционные усилители со сверхнизкими искажениями и шумом необходимы для того, чтобы высокоскоростные и высокопроизводительные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) обеспечивали высокое разрешение и низкие общие гармонические искажения (THD).Операционный усилитель, который мы здесь просто называем драйвером, выполняет широкий спектр операций во внешнем интерфейсе АЦП. Драйвер обрабатывает буферизацию и масштабирование амплитуды. Он преобразует несимметричный вход в дифференциальный выход для питания дифференциального входа АЦП. Он регулирует синфазный входной сигнал АЦП посредством настройки напряжения на его выводе VOCM и фильтрует сигнал.

В этой статье мы объясняем, как эффективно защитить АЦП от входных перенапряжений, вызванных драйвером операционного усилителя.Новый MAX44205 представляет собой полностью дифференциальный драйвер АЦП с тактовой частотой 180 МГц, низким уровнем шума и искажений со встроенной функцией фиксации, позволяющей поддерживать размах выходного сигнала драйвера в пределах установленных для АЦП источников питания. Это жесткое ограничение защищает АЦП от перенапряжений на его входах; между этим драйвером и АЦП не требуется дополнительных внешних дискретных компонентов для защиты от фиксации. Такая конструкция экономит место и экономит затраты по сравнению с традиционным подходом с защитными диодами.

Важность защиты АЦП от входных перенапряжений

Поскольку высокопроизводительные АЦП доступны по более высокой цене, разработчик системы должен выбрать драйвер, который защищает АЦП от перенапряжений.Сегодняшние 18-битные / 20-битные АЦП используют опорное напряжение / напряжение питания не более 3,3 В, но драйверы АЦП обычно используют либо разделенные источники питания ± 5 В, либо даже более высокие напряжения. Отрицательное напряжение на выводе драйвера V _SS используется для компенсации всего размаха входного сигнала АЦП. Здесь есть нюанс. В зависимости от входного сигнала драйвера, его выход может выходить далеко за пределы входных источников АЦП. Если мы не ограничим выходные напряжения драйвера в пределах напряжений питания АЦП, АЦП может выйти из строя безвозвратно.

Большинство АЦП на рынке имеют диоды защиты от электростатического разряда на входах обеих шин, но эти диоды не могут выдерживать токи порядка от> 20 мА до 50 мА в течение более нескольких секунд, прежде чем они будут необратимо повреждены. Даже утечка через внутренние диоды ESD в течение длительного времени может повредить защитные диоды и АЦП.

Большинство разработчиков используют на выходах драйвера стабилитроны или диоды Шоттки для ограничения размаха входного сигнала на АЦП. В этом зажимном решении требуются четыре дискретных диода и токоограничивающие резисторы.Альтернатива есть. MAX44205 — это полностью дифференциальный драйвер операционного усилителя с низким уровнем шума и искажений 180 МГц со встроенным фиксатором, который ограничивает размах выходного сигнала в пределах источников питания АЦП. Таким образом, он защищает АЦП от перенапряжений на входе. Функция зажима этого драйвера устраняет четыре дополнительных дискретных компонента и экономит как место на печатной плате, так и стоимость.

Дискретное выполнение зажима

Разработчики используют диоды Шоттки для ограничения входных напряжений АЦП. Это хороший подход, поскольку эти диоды обеспечивают самое низкое прямое падение напряжения ~ 0.От 25В до 0,4В, в зависимости от протекающего через них тока. У диодов Шоттки есть еще три важных преимущества: 1) очень низкий ток обратной утечки; 2) меньшая паразитная емкость; и 3) очень быстрое обратное время восстановления. Из этих трех преимуществ диодов Шоттки низкий ток обратной утечки и меньшая паразитная емкость имеют решающее значение в прецизионных приложениях АЦП. Третье преимущество, быстрое время обратного восстановления, полезно, когда скорость диода в зажиме и выходе из зажима критична.

Хотя паразитная емкость диодов Шоттки мала, разработчик должен выбрать диод с наименьшим изменением емкости при изменении обратного напряжения, подаваемого на диод. Этот нелинейный эффект критичен для приложений, где важны гармонические искажения.

Стабилитроны

также используются для ограничения напряжения там, где требуется грубое ограничение во время работы. Стабилитроны имеют более высокий ток обратной утечки, что делает их менее эффективными для приложений АЦП.

На рис. 1 показан основной способ реализации ограничения напряжения с помощью диодов Шоттки для заданных уровней напряжения на входе АЦП.

Рисунок 1. Базовая схема ограничения напряжения с помощью диодов Шоттки.

На рис. 1 используются два диода Шоттки BAT42 Vishay®. Когда выходы драйвера АЦП выходят за пределы положительного напряжения питания АЦП, два диода Шоттки на каждом выходе к положительному напряжению питания начинают проводить; диоды поддерживают уровень напряжения этих узлов равным 3.3 В плюс прямое падение напряжения этих диодов. Обратите внимание, что прямое падение напряжения диодов Шоттки зависит от мощности диодов. Поэтому выбирайте диоды Шоттки с более низким значением прямого падения напряжения и характеристикой прямого непрерывного тока, подходящей для конкретного применения.

Из четырех резисторов R _LIMIT ограничивает ток, протекающий через диоды Шоттки и на шину 3,3 В, обеспечиваемую регулятором напряжения. R _СЕРИЯ защищает внутренние диоды защиты от электростатического разряда АЦП.Разработчик должен подобрать такие резисторы, чтобы токи оставались на управляемом уровне для приложения.

Резистор R _LIMIT также помогает уменьшить сток тока в регулятор напряжения, то есть на шину питания 3,3 В. Если этот ток не ограничен, выходное напряжение регулятора напряжения может увеличиться и повредить другие микросхемы, использующие то же выходное питание регулятора платы. Если вы знаете, что ваш драйвер АЦП не может выдавать ток более ~ 100 мА, есть альтернативный подход. Не используйте токоограничивающие резисторы для последовательного резистора.RC-фильтр сглаживания между драйвером и АЦП ограничивает ток через внешние диоды Шоттки до управляемых уровней порядка ~ 10 мА.

Итак, повторим, резисторы R _LIMIT помогают ограничить ток, протекающий по шине 3,3 В. Более того, вместе с емкостью диода Шоттки они образуют фильтр нижних частот и снижают полосу пропускания вашей схемы. Для приложений АЦП, которым требуется более высокая пропускная способность, это является проблемой и наносит ущерб работе АЦП.

Примеры схем защиты

Жесткий зажим с внешними диодами Шоттки

Теперь мы покажем схему с использованием четырех диодов Шоттки (, рис. 2, ), которая защищает АЦП от перенапряжений на выходе драйвера. Высокопроизводительные 16-битные в 20-битные АЦП нуждаются в малошумящем драйвере с низким уровнем искажений, чтобы сохранить качество входного сигнала и общую точность преобразования АЦП. Здесь пара резисторов 7,5 Ом и конденсатор 1 нФ образуют фильтр сглаживания, обеспечивающий 21 Ом.Частота среза 22 МГц. Для краткости мы не будем обсуждать размеры компонентов фильтра нижних частот и ограничим это примечание по применению только защитой АЦП от перенапряжения.

Рис. 2. Фиксация выходов драйвера с помощью четырех внешних диодов Шоттки защищает АЦП от перенапряжений на выходе драйвера.

На рис. 2 показан операционный усилитель MAX44206, сконфигурированный в конфигурации дифференциального усилителя с усилением = 1 В / В с разделенными источниками питания ± 5 В, VOCM = 1,65 В. На каждом выходе уровень постоянного тока сдвинут на 1.65 В, т. Е. Средняя часть АЦП, чтобы использовать полный диапазон преобразования АЦП от 0 В до 3,3 В. Разделение питания ± 5 В позволяет драйверу обеспечивать колебание выходного напряжения во всем диапазоне преобразования от 0 В до 3,3 В. Входной сигнал, используемый на входах драйвера, обычно равен по амплитуде и сдвинут по фазе на 180 ^° для достижения максимального размаха дифференциального выходного сигнала. Теперь, когда каждый выход имеет уровень постоянного тока, смещенный до 1,65 В, каждый выход будет иметь размах сигнала одинаковой амплитуды в зависимости от входа с фазовым разделением 180 ^° .

В нашем эксперименте мы выполнили два тестовых примера:

1. Размах выходного напряжения на каждом выходе установлен как 3,3 В _P-P с 1,65 В _DC смещение

Каждый вход — 3,3 В _P-P с фазовым разделением 180 ^° ; фактическое дифференциальное входное напряжение (V _INDIFF ) на двух входах составляет 6,6 В _P-P . Поскольку усиление = 1 В / В, каждый выход также составляет 3,3 В _P-P с разделением фаз 180 ^° и дифференциальное напряжение 6,6 В _P-P на выходах (, рис. 3, ).

Рисунок 3. Переходная характеристика выходного сигнала схемы на Рисунке 2. Здесь V _{IN +} = 3.3V _P-P и V _IN- = V _{IN +} -180 ^° ; VOCM = 1,65 В.

График осциллографа на рис. 3 показывает, что действие ограничения еще не началось на каждом выходе, поскольку максимальное и минимальное напряжения на каждом выходе составляют 3,3 В и 0 В соответственно, как показано на кривой V _OUT . Понятно, что диоды еще не включились для защиты АЦП.

2. Размах выходного напряжения на каждом выходе установлен как 5 В _P-P с 1,65 В _DC смещение

Каждый вход составляет 5 В _P-P с разделением фаз на 180 ° ^° ( Рисунок 4 ). Фактическое дифференциальное входное напряжение (V _INDIFF ) на двух входах составляет 10 В _P-P . Поскольку усиление = 1 В / В, предполагается, что на каждом выходе будет 5 В _P-P с разделением по фазе 180 ^° ; ожидается дифференциальное напряжение 10 В _P-P на выходах.5V _P-P со смещением 1,65 В постоянного тока на каждом выходе означает, что выходной сигнал колеблется от 4,15 В до -0,85 В. На самом деле, как только каждый выход превышает 3,3 В плюс прямое падение напряжения диода, диод включается, начинает проводить и ограничивает выход драйвера до 3,92 В. Точно так же диод ограничивает выход драйвера до -0,8 В.

Рисунок 4. Переходная характеристика выходного сигнала с жестким ограничением для схемы на Рисунке 2. Здесь V _{IN +} = 5V _P-P и V _IN- = 5V _P-P ; V _IN- = V _{IN +} -180 °; V _CLPH = 3.3В; V _CLPL = 0 В; VOCM = 1,65 В.

Ток питания, потребляемый во время состояния жесткого фиксатора, когда включаются диоды Шоттки, составляет порядка 15 мА в настройке на Рисунке 2. Большинство АЦП имеют значения на 0,3 В выше и -0,3 В ниже шин в качестве абсолютных максимальных значений входного напряжения.

Жесткий зажим без внешних дискретных диодов

Теперь мы покажем схему (, рис. 5, ), которая защищает АЦП от перенапряжений на выходе драйвера без внешних диодов.Это решение не только экономит место на печатной плате, но и снижает стоимость диодов Шоттки. Рисунок 5 почти такой же, как Рисунок 2, за исключением того, что четыре диода отсутствуют.

Операционный усилитель MAX44205, показанный на Рисунке 5, имеет два выходных зажима, V _CLPH и V _CLPL , доступные для ограничения уровней выходного напряжения до заданных значений. Когда шины питания АЦП привязаны к этим зажимным контактам, выходы драйвера фиксируются внутри шин АЦП независимо от входного размаха, приложенного к драйверу.

Рис. 5. В этой схеме выходы драйвера фиксируются без внешних диодов Шоттки или дискретных компонентов.

Мы снова выполнили два тестовых примера:

1. Размах выходного напряжения на каждом выходе установлен как 3,3 В _P-P с 1,65 В _DC смещение

Опять же, каждый вход — 3,3 В _P-P с разделением фаз 180 ^° (, рис. 6, ). Поскольку усиление = 1 В / В, каждый выход также равен 3,3 В _P-P с фазовым разделением 180 ^° .На графике осциллографа (рис. 6) каждый выход драйвера колеблется между 3,3 В и 0 В, что в точности совпадает с характеристиками шин АЦП, следовательно, до сих пор не наблюдается никакого фиксирующего действия.

Рисунок 6. Переходная характеристика выхода для схемы на Рисунке 5 с V _{IN +} = 3,3 В _P-P и V _IN- = 3,3 В _P-P ; V _{S +} = + 5В; V _S- = -5В; V _IN- = V _{IN +} -180 ^° ; VOCM = 1,65 В.

2.Размах выходного напряжения на каждом выходе установлен как 5 В _P-P с 1,65 В _DC смещение

Каждый вход 5V _P-P с фазовым разделением 180 ^° ; фактическое дифференциальное входное напряжение (В _INDIFF ) на двух входах составляет 10 В (пик-пик), как показано на , рис. 7, . Поскольку усиление = 1 В / В, предполагается, что на каждом выходе будет 5 В _P-P с разделением фаз 180 ^° . Опять же, 5V _P-P со смещением 1,65 В постоянного тока на каждом выходе теоретически означает, что выход колеблется между 4.15В и -0,85В. Операционный усилитель MAX44205 фиксирует выходной сигнал и ограничивает до 3,72 В при положительном размахе и ограничивает до -0,4 В при отрицательном размахе, как показано на графике V _{OUT +} (рисунок 7).

Рис. 7. Переходная характеристика выходного сигнала с жестким ограничением на схеме Рис. 5. Здесь V _{IN +} = 5V _P-P и V _IN- = 5V _P-P ; V _{S +} = + 5В; V _S- = -5В; V _IN- = V _{IN +} -180 ^° ; VOCM = 1.65В.

Операционный усилитель MAX44205 имеет запатентованный зажимной механизм, который потребляет только 92 мкА через VCLPL в состоянии жесткого зажима. Это выгодно отличается от 10 миллиампер, когда зажим выполняется с помощью дискретной конструкции, показанной на Рисунке 4. Пределы выходного напряжения для MAX44205 во время зажима составляют V _CLPH + 0,34 и V _CLPL — 0,42. Зажимать точно на шину питания АЦП не рекомендуется, потому что выход драйвера должен переключаться на любую шину АЦП без искажений.Если выходы драйвера фиксируются точно на V _CLPH и V _CLPL , фиксаторы могут включиться, когда выход находится на питании АЦП, вызывая искажения.

Защита входов АЦП — EDN

Распространенная проблема, возникающая при проектировании схемы АЦП, заключается в том, как защитить входы АЦП от перенапряжения. Защита входов АЦП имеет множество сценариев и потенциальных решений. В этом отношении у АЦП всех производителей схожие потребности. Эта статья дает представление о том, какие проблемы могут возникнуть в случае перенапряжения, как они возникают и какие способы их устранения.

Перегрузка входов АЦП обычно возникает, когда шины управляющего усилителя значительно превышают максимальный входной диапазон АЦП, например усилитель работает от +/- 15 В, а вход АЦП — 0-5 В. Это особенно часто встречается в промышленных конструкциях, где высоковольтные шины используются для приема входов +/- 10 В, а также каскадов преобразования сигналов питания / драйверов перед АЦП, например, Модули ПЛК. Если возникает состояние неисправности, при котором усилитель привода переключается на рельсы, это может вызвать повреждение АЦП из-за превышения его максимального номинала или нарушить одновременное / последующее преобразование в системе с несколькими АЦП.В этой статье основное внимание будет уделено тому, как защитить прецизионный АЦП последовательного приближения, такой как семейство AD798X, но его можно применить к другим типам АЦП.

Рассмотрим сценарий, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1: Типовая схема АЦП в семействе АЦП PulSAR

Эта схема представляет собой то, что мы видим в семействе AD798X (например, AD7980) АЦП PulSAR. Между входом, опорным сигналом и землей есть защитные диоды.Эти диоды способны выдерживать большие токи до 130 мА в случае семейства AD798X, но только в течение нескольких миллисекунд, а не в течение более длительных периодов или повторяющихся перенапряжений. В некоторых продуктах, таких как семейство деталей AD768X / 9X (например, AD7685, AD7691), защитные диоды подключаются к выводу VDD вместо REF. На этих частях напряжение VDD всегда больше или равно REF. Как правило, это работает лучше, поскольку VDD — более жесткий рельс для зажима и не так чувствителен к помехам.

На Рисунке 1, если усилитель был направлен на шину +15 В, тогда защитный диод на REF включится, и усилитель попытается перетащить узел REF вверх.Если узел REF не управляется мощной схемой драйвера, тогда напряжение на узле REF (и входе) поднимется выше абсолютного максимального номинального напряжения, и АЦП может быть поврежден, если напряжение превышает напряжение пробоя устройств в этом процессе. См. Рисунок 3 ниже, где показан пример того, как драйвер АЦП стремится к +8 В, превышающему опорное напряжение (5 В). Многие прецизионные эталоны не имеют возможности принимать ток, что является проблемой в этом сценарии. В качестве альтернативы схема управления опорным сигналом может быть достаточно сильной, чтобы поддерживать опорное значение, близкое к его номинальному значению, но все равно будет отклоняться от его точного значения.

В системе с несколькими АЦП с одновременной выборкой, использующей одно опорное напряжение, это означает, что преобразования на других АЦП будут неточными, поскольку система зависит от высокоточного опорного напряжения. Последующие преобразования также могут быть неточными, если время восстановления после сбоя велико.

Существует несколько различных подходов или подходов, которые используются в комбинации для смягчения этой проблемы. Чаще всего используются диоды Шоттки (например,BAT54), чтобы ограничить выход усилителя диапазоном АЦП. См. Рисунки 2 и 3 для иллюстрации. Также можно использовать диоды для ограничения входа усилителя, если это соответствует потребностям приложения.

Рисунок 2: Фиксация выхода усилителя для защиты входа АЦП

Рисунок 3: Желтый = вход АЦП, фиолетовый = задание. Слева — без диодов Шоттки. Справа — с диодами Шоттки.

В этом случае диоды Шоттки выбраны из-за их низкого прямого падения напряжения, так что они включаются раньше внутренних защитных диодов в АЦП.Последовательный резистор после диодов Шоттки также помогает ограничить ток в АЦП, если внутренние диоды слегка включаются. Для дополнительной защиты, если опорное напряжение имеет небольшой ток потребления или его нет, на опорном узле можно использовать стабилитрон или схему фиксации, чтобы гарантировать, что опорное напряжение не будет слишком высоким. В приведенном выше примере стабилитрон 5,6 В используется для опорного напряжения 5 В.

На рисунке 4 показан пример влияния на вход опорного сигнала (5 В) добавления диодов Шоттки на вход АЦП при перегрузке входа АЦП синусоидальной волной.Диоды Шоттки подключены к земле и системной шине 5 В, способной пропускать ток. Без диодов Шоттки возникает опорное возмущение, когда входной сигнал превышает опорный сигнал и землю на диодное падение. Как можно видеть, эталонное возмущение полностью устранено с помощью Шоттки.

Рисунок 4: Желтый = вход АЦП, зеленый = вход драйвера АЦП, фиолетовый = опорный сигнал (связь по переменному току). Левое изображение без диодов Шоттки. Правое изображение с диодами Шоттки (BAT54S) добавлено

Следует обратить внимание на обратный ток утечки Шоттки, так как он может вносить искажения / нелинейность во время нормальной работы.Эта обратная утечка сильно зависит от температуры и обычно указывается в технических характеристиках диодов. Хорошим вариантом являются диоды Шоттки серии BAT54 (2uA max при 25c, ~ 100uA при 125c).

Способом полного устранения проблем с перенапряжением является использование одной шины питания для усилителя. Это означает, что управляющий усилитель никогда не может качаться ниже уровня земли или выше максимального входного напряжения, если используется тот же уровень питания, что и для опорного напряжения (максимальное входное напряжение), в этом примере 5 В.Можно использовать эталонную схему для непосредственного питания усилителя, если он имеет достаточный выходной ток / мощность возбуждения. Другая возможность, показанная ниже на Рисунке 5, заключается в использовании немного более низкого эталонного значения (например, 4,096 В при использовании шины 5 В), что приводит к значительному снижению перегрузки по напряжению.

Эти подходы решают любую проблему с перегрузкой входа, но компромисс будет ограничиваться размахом / диапазоном входного сигнала для АЦП из-за требований к запасу мощности / пространству для ног усилителя.Обычно выходной усилитель «шина-шина» может находиться в пределах 10 мВ от шины, но также важно учитывать требования к запасу по входу, который может составлять 1 В или более, так как это еще больше ограничит размах в конфигурации буфер / единичное усиление. Этот подход предлагает простейшее решение с точки зрения отсутствия необходимости в дополнительных компонентах защиты, но зависит от наличия правильного напряжения питания и, возможно, усилителя на входе и выходе шины (RRIO).

Рисунок 5: Использование более низкого опорного значения для уменьшения возможности повышения напряжения

Последовательность R в RC-фильтре между усилителем и RC также может использоваться для ограничения тока на входе АЦП в условиях перенапряжения.Однако это будет компромисс между ограничением тока и производительностью АЦП. Более крупная серия R обеспечит лучшую защиту входа, но приведет к большему искажению характеристик АЦП. Это может быть приемлемым компромиссом, особенно если полоса пропускания входного сигнала мала или АЦП не работает с полной пропускной способностью, поскольку в этом случае можно допустить большее количество последовательностей R. Приемлемый для приложения размер R может быть определен экспериментально.

Как обсуждалось выше, для защиты входа АЦП не существует универсального решения, но в зависимости от требований приложения могут быть приняты различные индивидуальные или комбинированные подходы для обеспечения желаемого уровня защиты с соответствующими компромиссами в производительности.

% PDF-1.7 % 61 0 объект > эндобдж xref 61 77 0000000016 00000 н. 0000002218 00000 н. 0000002363 00000 н. 0000002411 00000 н. 0000003616 00000 н. 0000003683 00000 н. 0000003820 00000 н. 0000003958 00000 н. 0000004096 00000 н. 0000004234 00000 н. 0000004371 00000 п. 0000004508 00000 н. 0000004646 00000 н. 0000005238 00000 п. 0000005657 00000 н. 0000006092 00000 н. 0000006343 00000 п. 0000006764 00000 н. 0000007176 00000 н. 0000007756 00000 н. 0000008276 00000 н. 0000008311 00000 н. 0000008405 00000 н. 0000008518 00000 н. 0000008629 00000 н. 0000011251 00000 п. 0000012563 00000 п. 0000012968 00000 п. 0000013379 00000 п. 0000014925 00000 п. 0000017088 00000 п. 0000019436 00000 п. 0000021085 00000 п. 0000021414 00000 п. 0000021602 00000 п. 0000023950 00000 п. 0000026105 00000 п. 0000034240 00000 п. 0000038455 00000 п. 0000041103 00000 п. 0000041219 00000 п. 0000043717 00000 п. 0000044084 00000 п. 0000044518 00000 п. 0000047968 00000 н. 0000048309 00000 п. 0000056266 00000 п. 0000056535 00000 п. 0000056980 00000 п. 0000059793 00000 п. 0000060069 00000 п. 0000060372 00000 п. 0000065054 00000 п. 0000065317 00000 п. 0000065657 00000 п. 0000075962 00000 п. 0000076001 00000 п. 0000086301 00000 п. 0000086340 00000 п. 0000098346 00000 п. 0000098385 00000 п. 0000098545 00000 п. 0000098591 00000 п. 0000101409 00000 н. 0000134229 00000 н. 0000134585 00000 н. 0000134659 00000 н. 0000134845 00000 н. 0000135358 00000 п. 0000135426 00000 н. 0000135534 00000 н. 0000135625 00000 н. 0000135699 00000 н. 0000135792 00000 н. 0000135879 00000 п. 0000135947 00000 н. 0000001836 00000 н. трейлер ] / Назад 216705 >> startxref 0 %% EOF 137 0 объект > поток hb`0« (

Защита входа АЦП на Photon от более чем 3.Вход 3В? — Оборудование

Спасибо @ peekay123 — схема на странице 40 этого руководства очень помогла. В другой документации не встречал. Из множества тестов у меня есть два рабочих варианта, о которых я могу сообщить. (@bko спасибо за дополнительную информацию. Я думаю, что многие мои головные боли были вызваны высоким импедансом датчика, который меня бросил. Поскольку у меня есть два удовлетворительных решения, я не стал изучать компараторы.)

Итак, я вернулся, чтобы проверить свои измерения. Когда выходное напряжение датчика измеряется на уровне 5 В, и я подключаю его к земле (без резистора), ток равен 3.6 мА. ОДНАКО, когда я подключаю его к A1 в качестве аналогового входа, он измеряет 0,0 мкА и такой же сигнал напряжения. Высокое сопротивление? Из любопытства, аналоговый вход на 5 В и ток 0,0 мкА — представляет ли это опасность для Photon? (Я не мог сказать по паспорту).

РЕШЕНИЕ 1: Вероятно, применимо к большему количеству ситуаций
Использование операционного усилителя и диода. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключается к 3V3 Photon. VCC на операционном усилителе подключается к шине 5 В. В результате аналоговое входное напряжение равно 3.3 В, когда выходное напряжение датчика> 3,3 В. ЦАП читает 4069 на аналоговом входе, что довольно близко к максимальному значению 4095.

РЕШЕНИЕ 2: Стабилитрон, но может быть более специфичным для схемы
Использование стабилитрона 3,9 В (обратите внимание, что я тестировал разные стабилитроны 3,9 В с разными результатами, поэтому наклон имеет значение). Когда выходное напряжение датчика составляет от 4,75 В до 5 В, аналоговое входное напряжение составляет около 3,2 В или 4026 на аналоговом входе из максимального значения 4095. Я подозреваю, что успех этой схемы зависит от высокого импеданса, тока и конкретного используемого стабилитрона, поэтому может быть не так точно воспроизведен, как решение 1.

Резистор на 1 Ом действительно не имеет никакого значения в данной конкретной ситуации, но поддерживает целостность цепи и может быть необходим в ситуациях с более высоким током. Еще раз спасибо за помощь. И теперь кто-нибудь может сообщить мне, что я зря трачу время, возможно, это никогда не повредило бы Фотону?

Planet Analog — Основы сигнальной цепи # 159: Обеспечьте надежную защиту от перенапряжения на входе для модулей аналогового ввода усилителя

Ключевой подсистемой в программируемом логическом контроллере является модуль аналогового ввода, который обеспечивает высокоточный интерфейс для измерения большого количества датчиков.Однако во многих случаях входной каскад усилителя соединен длинными кабелями с удаленными датчиками и чувствителен к условиям перенапряжения. В этой статье я представлю основные концепции защиты от перенапряжения на входе операционного усилителя (ОУ) и расскажу, как выбрать правильную схему защиты от перенапряжения.

В техническом паспорте операционного усилителя, используемого во входном модуле, должны быть указаны абсолютные максимальные характеристики в условиях электрического перенапряжения.Условия электрического перенапряжения подразделяются на две группы: электростатический разряд (ESD) и входное электрическое перенапряжение (EOS). Событие ESD — это внезапная передача электростатического заряда между двумя телами с разными электростатическими потенциалами. Электростатический потенциал часто может составлять тысячи вольт, а перенос заряда обычно происходит за доли секунды. Напротив, событие EOS происходит, когда схема подвергается воздействию перенапряжения, например, неисправности, вызванной непреднамеренным подключением, в течение относительно длительного периода времени.Эти номинальные значения EOS представляют собой максимальное напряжение питания, входное напряжение и входной ток, которые устройство может выдержать без повреждений. В таблице 1 показаны абсолютные максимальные характеристики типичного прецизионного операционного усилителя Texas Instruments OPA2205.

Таблица 1 Абсолютные максимальные характеристики прецизионного усилителя Texas Instruments OPA2205.

Обычно операционные усилители имеют внутренние структуры защиты от электростатического разряда, предназначенные для защиты операционного усилителя во время производства и производственных испытаний.Для защиты от электростатических разрядов используются три общие структуры, показанные на рис. 1 : последовательный резистор, управляющие диоды и абсорбционное устройство. Управляющие диоды включаются и направляют импульс электростатического разряда от чувствительных элементов схемы к абсорбирующему устройству. Абсорбирующее устройство поглощает энергию импульса электростатического разряда и ограничивает уровень напряжения, чтобы предотвратить повреждение.

Рис. 1 Обычно внутри операционного усилителя есть три конструкции защиты от электростатического разряда.

Максимальные характеристики ОУ для EOS основаны на максимальном напряжении и длительном токе, которые могут выдерживать внутренние диоды ESD.Однако эти структуры не предназначены для защиты устройства от более длительных событий EOS, которые могут произойти во время неисправности цепи. Вместо этого могут потребоваться внешние зажимы для защиты входных цепей операционного усилителя от событий EOS. Диоды Шоттки и последовательные резисторы — это один из способов защиты входов операционных усилителей от перенапряжения.

Рассмотрим схему модуля аналогового ввода ± 10 В, показанную на рис. 2 . В этой схеме буферы операционного усилителя обеспечивают высокий входной импеданс для взаимодействия с различными датчиками.Полностью дифференциальный усилитель THP210 (FDA) ослабляет и сдвигает уровень буферизованного сигнала для управления аналого-цифровым преобразователем. FDA — это прецизионный малошумящий усилитель с малым дрейфом, сконфигурированный как фильтр нижних частот Баттерворта второго порядка с угловой частотой 100 кГц.

Рис. 2 Этот входной модуль аналогового входного модуля с высоким импедансом ± 10 В использует диоды Шоттки и другие элементы для защиты операционного усилителя от событий EOS.

В этом примере показаны два типа защитных схем, с зажимными схемами, предназначенными для обеспечения защиты входа при постоянном повышении напряжения ± 40 В.Диоды подавления переходных напряжений (TVS) используются для фиксации шин питания, снижая ток цепи фиксации, чтобы поддерживать питание ниже абсолютного номинального напряжения питания операционного усилителя ± 20 В. TVS-диоды похожи на стабилитроны, но предназначены для быстрого рассеивания большой переходной мощности. Показанный SMF12A представляет собой однонаправленный TVS с обратным напряжением зазора 12 В, напряжением пробоя 14,7 В и максимальным напряжением ограничения 19,9 В. Ток во время повреждения ± 40 В ограничен до 20 мА с помощью резистора 1,24 кОм. , Резистор 1/2-WR _LIMIT , как показано на рисунке 3.

Диоды Шоттки

, используемые здесь на входах операционного усилителя, имеют металлический полупроводниковый переход, который обеспечивает меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые переходные диоды, такие как те, которые используются для защиты от электростатического разряда в операционном усилителе. На рис. 3 показано, как этот атрибут схемы фиксации внешней защиты работает вместе с этими внутренними диодами ESD.

В этом примере BAS40 представляет собой слабосигнальный диод Шоттки с прямым напряжением, близким к ~ 380 мВ при 1 мА. Для сравнения, внутренняя структура ESD имеет прямое напряжение ~ 550 мВ при том же прямом токе.Поэтому диоды Шоттки включаются раньше, чем внутренние антистатические диоды усилителя, и большая часть пускового тока проходит через внешний зажим. Внутренняя структура ESD может выдерживать только 10 мА, в то время как внешний диод Шоттки может выдерживать постоянные прямые токи до 200 мА, обеспечивая надежную защиту.

Рисунок 3 Эта часто используемая защита входа операционного усилителя с диодом Шоттки включается перед внутренними диодами, направляя большую часть пускового тока через внешний диод.

Хотя внешний зажим на диоде Шоттки обеспечивает надежную защиту от перенапряжения, недостатком этого зажима является то, что он вносит ошибки сигнала. Во время нормальной работы диоды Шоттки с обратным смещением демонстрируют обратный ток утечки, который протекает через резистор R _LIMIT , вызывая нежелательные смещения. Используемый в примере BAS40 обеспечивает очень низкий ток утечки 200 нА, что сводит к минимуму погрешность смещения. Вы также можете уменьшить резистор R _LIMIT , чтобы свести к минимуму эти ошибки смещения, при этом компромиссом будет увеличение тока повреждения.Это увеличение тока короткого замыкания потребует резистора с более высокой номинальной мощностью.

Однако ток утечки диода может незначительно изменяться в зависимости от обратного напряжения; поэтому несоответствие обратного тока утечки между диодами вызывает небольшие нелинейные ошибки в зависимости от входного напряжения. Кроме того, ток утечки диодов экспоненциально увеличивается с температурой. Например, типичный ток утечки для этого типа Шоттки составляет примерно ~ 20 нА при 25 ° C; но этот ток утечки может увеличиваться до 2 мкА при 85 ° C и до 10 мкА при температурах выше 100 ° C.

К счастью, некоторые современные прецизионные операционные усилители имеют встроенную защиту от перенапряжения на входе, что устраняет необходимость во внешних зажимных схемах этого типа. На рис. 4 показана встроенная защита входа OPA2206. Его входы защищены от напряжения до ± 40 В за пределами источника питания или до ± 40 В, если источники питания отключены.

Рисунок 4 Этот интегрированный зажим для защиты входа операционного усилителя изменяет импеданс при перегрузке входа, обеспечивая защиту во время EOS и сводя к минимуму воздействие во время нормальной работы.

Схема внутренней защиты OPA2206 обеспечивает низкое последовательное сопротивление при нормальных условиях сигнала, таким образом поддерживая желаемую точность операционного усилителя. Однако, если вход перегружен, схема защиты увеличивает последовательное сопротивление и ограничивает входной ток до значения приблизительно ± 5 мА. Таким образом, встроенный зажим для защиты входа позволяет получать точные результаты с надежной защитой, снижая при этом стоимость и размер решения.

Защита от перенапряжения — обширная тема, и представленные подходы являются лишь некоторыми из множества различных способов защиты входов операционного усилителя.Чтобы узнать больше, посмотрите серию видеороликов TI Precision Labs — Electrical Overstress. В этой серии статей представлен подробный обзор защиты операционного усилителя EOS и того, как разработать правильную схему зажима для вашего приложения.

Защита от перенапряжения на входе Arduino с помощью стабилитрона

(Последнее обновление: 7 апреля 2021 г.)

Защита от перенапряжения на входе Описание:

Защита от перенапряжения на входе Проект основан на том, как защитить выводы аналогового и цифрового ввода Arduino от перенапряжения с помощью стабилитрона.Технику, которую я собираюсь объяснить в этом руководстве, можно использовать в любой электронной схеме.

Для лучшего понимания я собираюсь использовать Arduino Uno в этом руководстве и спроектирую схему для защиты входных контактов Arduino от перенапряжения, поскольку, как вы знаете, напряжение более 5 вольт может повредить контакты Arduino. Электронным компонентом, который наиболее часто используется во всем мире для защиты от перенапряжений, является стабилитрон. Итак, это Учебное пособие полностью основано на стабилитроне.

В этом уроке я постараюсь охватить максимум вещей, например,

• Что такое стабилитрон?
• Характеристики
• Символ
• Лист данных
• рабочая
• Приложение
• А стабилитрон практическое применение в схеме электроники

Напряжение 0-25 В Контроль напряжения на основе датчика:

Несколько месяцев назад я загрузил учебник по системе мониторинга напряжения Arduino с использованием датчика напряжения от 0 до 25 В, этот датчик напряжения способен измерять напряжение в диапазоне от 0.02445В до 25В постоянного тока. На 25v мы ​​получаем ровно 5v. Как вы знаете, друзья мои, максимальное аналоговое напряжение Arduino составляет 5 В.

Но что, если мы увеличим напряжение выше 25 В, выходное напряжение также увеличится, что приведет к повреждению аналогового вывода контроллера. Таким образом, этот датчик напряжения не имеет защиты от перенапряжения и может легко повредить входные контакты Arduino.

Вот почему я решил сделать еще один учебник, который может обеспечить идеальную защиту от перенапряжений.

Amazon Ссылки:

Адаптер 12 В:

Arduino Uno

Ардуино Нано

мега 2560:

Стабилитрон 5 В:

Прочие инструменты и компоненты:

Лучшие датчики Arduino:

Супер стартовый набор для начинающих

Цифровые осциллографы

Переменная поставка

Цифровой мультиметр

Наборы паяльников

Переносные сверлильные станки для печатных плат

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ:

Обратите внимание: это партнерские ссылки.Я могу получить комиссию, если вы купите компоненты по этим ссылкам. Буду признателен за вашу поддержку!

Стабилитрон:

Это символ стабилитрона. Стабилитрон — это кремниевый полупроводниковый прибор, который позволяет току течь как в прямом, так и в обратном направлении.

Стабилитрон не только позволяет протекать току при использовании в прямом смещении, но также позволяет протекать току при использовании в обратном смещении, пока приложенное напряжение выше напряжения пробоя , известного как пробой стабилитрона Напряжение. Или, другими словами, напряжение пробоя — это напряжение, при котором стабилитрон начинает проводить в обратном направлении. Напряжение пробоя стабилитрона обозначено Vz.

В обычных диодах напряжение пробоя очень высокое, и диод полностью выходит из строя, если приложено напряжение выше пробивного диода, но в стабилитронах напряжение пробоя не такое высокое и не приводит к необратимому повреждению стабилитрона. если напряжение приложено.

По мере того, как обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, увеличивается до указанного напряжения пробоя (Vz), через диод начинает течь ток, и этот ток известен как ток стабилитрона , и этот процесс известен как лавинный пробой .Ток увеличивается до максимума и стабилизируется. Этот ток остается постоянным в более широком диапазоне приложенного напряжения и позволяет стабилитрону выдерживать более высокое напряжение без повреждения. Этот ток определяется последовательным резистором.

Резистор R1 соединен последовательно со стабилитроном, чтобы ограничить количество тока, протекающего через диод, и входное напряжение Vin (которое должно быть больше, чем напряжение стабилитрона). подключено, как показано на рисунке, и выходное напряжение Vout снимается на стабилитроне с Vout = Vz (напряжение стабилитрона).

Следует проявлять осторожность при выборе номинала резистора R1 , поскольку резистор небольшого номинала приведет к большому току диода при подключении нагрузки, и это увеличит требования к рассеиваемой мощности диода, которые могут стать выше максимума. номинальной мощности стабилитрона и может привести к его повреждению.

Номинал используемого резистора можно определить по формуле, приведенной ниже.

R ₁ = (V _в — V _Z ) / I _Z

Где;

R1 — значение последовательного сопротивления.

Vin — входное напряжение.

Vz, который совпадает с Vout, является напряжением Зенера

А Iz — ток Зенера.

Используя эту формулу, становится легко гарантировать, что номинал выбранного резистора не приведет к протеканию тока выше, чем может выдержать стабилитрон. Одна небольшая проблема, с которой сталкиваются схемы стабилизатора на основе стабилитронов, заключается в том, что стабилитрон иногда генерирует электрические помехи на шине питания, эта проблема может быть решена добавлением разделительного конденсатора большой емкости через диод.Это помогает стабилизировать выходной сигнал стабилитрона.

Технические характеристики стабилитрона

Стабилитроны различаются по характеристикам, таким как номинальное рабочее напряжение, рассеиваемая мощность, максимальный обратный ток и упаковка. Некоторые часто используемые спецификации включают:

Напряжение Vz: Напряжение стабилитрона относится к напряжению обратного пробоя — от 2,4 В до примерно 200 В; может достигать 1 кВ, в то время как максимальное значение для устройства поверхностного монтажа (SMD) составляет около 47 В).

Ток Iz (макс.): Максимальный ток при номинальном напряжении стабилитрона Vz — от 200 мкА до 200 А).

Ток Iz (мин.): Минимальный ток, необходимый для выхода диода из строя — 5 мА и 10 мА.

Номинальная мощность: максимальная мощность, которую может рассеять стабилитрон; дается произведением напряжения на диоде и протекающего через него тока. Типичные значения: 400 мВт, 500 мВт, 1 Вт и 5 Вт; для поверхностного монтажа типичны 200 мВт, 350 мВт, 500 мВт и 1 Вт.

Допуск напряжения: обычно ± 5%.

Температурная стабильность: Наилучшей стабильностью обладают диоды с напряжением около 5 В.

Применение стабилитрона Стабилитроны

используются для регулирования напряжения, в качестве опорных элементов, ограничителей перенапряжения, а также в коммутационных устройствах и схемах ограничителей. Достаточно теории, позволяет практически использовать это с датчиком напряжения от перенапряжения.

Это стабилитрон с напряжением 5,1 В. Давайте сначала воспользуемся этим с источником питания 12 В.

Как видите, резистор на 330 Ом включен последовательно с стабилитроном.Подключите провод 12 В к резистору и соедините провод заземления со стороной анода стабилитрона.

Включите цифровой мультиметр и проверьте входное напряжение, которое составляет 12,16 В.

Теперь проверьте напряжение стабилитрона, которое составляет 4,95 В, идеальное.

Теперь давайте используем этот стабилитрон с датчиком напряжения от 0 до 25 В.

Подключите две перемычки к Vcc и GND датчика напряжения; сюда мы подключаем входное напряжение.Подключите две перемычки к контактам S и минус датчика напряжения.

Подключите входной источник питания к Vcc и GND датчика напряжения с источником питания 12 В. Соедините красную проводку, идущую от вывода s датчика напряжения, с резистором, а черный провод, идущий от вывода минуса датчика напряжения, с анодом стабилитрона.

Входное напряжение датчика напряжения 12,17 вольт. Выход датчика напряжения — 2.40 вольт.

Этот датчик напряжения просто состоит из двух последовательно соединенных резисторов.

Давайте решим это.

R1 = 30 кОм

r2 = 7,5 кОм

, мы можем узнать выходное напряжение, используя формулу делителя напряжения, которая составляет

Vout = (r2 x vin) / (r1 + r2)

vout = (7,5 x 1000 x 12,17) / (30k + 7,5k)

vout = 91275/37500

vout = 2,434, что примерно равно.

При входном напряжении 25 В этот датчик выдает 5 В.

Напряжение на выходе стабилитрона в точности равно выходному сигналу датчика напряжения. Таким образом, при напряжениях ниже напряжения пробоя стабилитрона стабилитрон ведет себя так, как будто его даже нет. Таким образом, на данный момент у нас есть двойная защита, напряжение питания 12 В было снижено до 2,4 В с помощью датчика напряжения, а использование стабилитрона на выходе этого датчика напряжения дополнительно увеличивает защиту.

, скажем, в очень редком случае напряжение увеличивается выше 25 В, из-за чего выходное напряжение датчика также увеличивается выше 5 В, скажем, 10 В, 30 В или даже больше, этот стабилитрон будет удерживать напряжение на уровне 5 В или меньше. На данный момент моя цель не состоит в том, чтобы получить точные 5 В, но моя цель — убедиться, что напряжение на аналоговом входе контроллера не превышает 5 Вольт.

Это высоковольтный источник питания постоянного тока, он напрямую преобразует переменный ток в постоянный, убедитесь, что при использовании такого типа источника питания никогда не касайтесь печатной платы и проводов, так как это может привести к сильному поражению электрическим током и может быть действительно опасным.Давайте соединим это с датчиком напряжения, соединим красный провод с Vcc датчика напряжения и соединим черный провод с землей. Установите мультиметр на 200 вольт, так как вы можете видеть, что входное напряжение даже больше 150 вольт постоянного тока.

Пока на выходе стабилитрона 4,5вольта. что меньше 5вольт.

Это изменение напряжения связано с высоким напряжением, поскольку наша цель — не регулировать это высокое напряжение на уровне 5 В, а защитить нашу цепь.Таким образом, использование датчика напряжения и стабилитрона может дать вам двойную защиту от перенапряжений. Так что для защиты от перенапряжения на входе стабилитрон — лучший выбор. Для получения пошагового объяснения и практической демонстрации смотрите видеоурок, приведенный ниже.

Защита от перенапряжения на входе Видеоурок:

10 лучших проектов Arduino с руководствами:

10 лучших проектов Arduino 2019 «Идеи инженерных проектов последнего года» Электрика и электроника »

10 лучших проектов Интернета вещей с учебными пособиями:

10 лучших проектов Arduino IOT 2019–2020 гг.

No related posts.