¿Cómo es este circuito para interconectar la señal de 20V con el microcontrolador 3v3?

He diseñado el siguiente circuito para conectar una señal de 12-20 V a un microcontrolador que funciona con 3,3 voltios. La señal es de 20 V o de circuito abierto.

Quiero que el circuito sea lo más resistente posible. Debería ser capaz de manejar EMI y ESD.

circuito

  • R1 es para limitar la corriente y polarizar el transistor.
  • C1 es implementar un filtro de paso bajo.
  • R2 se usa para bajar la base del transistor y descargar el capacitor C1, la entrada de 20 V es 20 V o circuito abierto.
  • D1 se usa para proteger el transistor del voltaje negativo en la base.
  • R3 es levantar el pin del microcontrolador.

Todos los comentarios y mejoras sobre este circuito son bienvenidos.

Pregunta secundaria: ¿ Cuál es el voltaje positivo máximo que puede tolerar este transistor? La hoja de datos establece que la corriente base máxima es de 100 mA. Si la base se mantiene a 0,7 voltios, la entrada puede ser de hasta 1000 voltios (10k ohm * 100mA). Pero si la entrada es de 1000 voltios, el divisor de potencial convierte el voltaje en la base a 500 voltios. Y el Vcb máximo según la hoja de datos es de 60 voltios.

El diodo de base a emisor cargará el divisor resistivo, limitando su voltaje de salida a alrededor de 0.7V. Entonces, en el caso de un voltaje de entrada alto, puede ignorar R2 para calcular el voltaje de entrada. La corriente a través de R2 será de aprox. 0.7/10k = 70uA, por lo que el voltaje de entrada en la práctica solo dependerá de 100mA × 10k. Pero tenga cuidado con la disipación total de energía.
El diodo tiene polarización inversa, está destinado a conducir en caso de voltaje negativo. Necesito R2 para descargar el condensador de todos modos.
Estoy escribiendo sobre la base interna para el diodo emisor. ¿Está familiarizado con el funcionamiento de un BJT?
@jippie mi error, pensé que estabas hablando de D1.
También estoy muy interesado en la interfaz de señal de alternador/batería de automóvil, ¿ha considerado usar optoacopladores? Son básicamente lo mismo que tienes aquí, una interfaz de estilo BJT. Tengo la intención de usar un divisor de voltaje simple con sujeción de sobrevoltaje de diodo zener (¡después del divisor!) Y valores de resistencia lo suficientemente altos para que el diodo zener sobreviva condiciones prolongadas de "ENCENDIDO" si sucede. También tendré un capacitor de filtro ESR bajo en cada entrada para lidiar con los picos de voltaje...
Por interés, ¿qué usaste para dibujar el diagrama? Se ve profesionalmente ordenado pero/y demasiado "regular" para ser dibujado a mano. [Interesante cambio de grosor de línea en el cable colector Q1.]
@RussellMcMahon Puedo suponer que está usando algún tipo de paquete de simulación/esquema, ya que tiene símbolos de fuente de voltaje y probablemente configuraciones para ellos... podría ser cualquiera de las cosas gratuitas que existen... Y por cierto, sospecho que ese cambio el grosor de línea es un artefacto gráfico, no intencionado ... tal vez porque los gráficos de símbolos que se unen con los gráficos de cables no son tan nítidos (o el alias de la conexión diagonal)
@KyranF Sí. Me interesa saber cual. O de cualquier otro (preferiblemente gratuito) que haga algo similar. Ligeramente más limpio que mis rápidos latigazos
@hackerbro7 Simulé esto en Altium, y noté en la simulación que durante la secuencia de "ENCENDIDO" de la entrada del lado del automóvil, la salida del lado del microcontrolador tenía una pequeña "rodilla" inductiva/parásita en la forma de onda, agregué un capacitor de 10nF en la red y lo suavizó. Más tarde también aumenté R1 a 33K y el circuito aún funcionaba correctamente hasta una entrada de ~3V. ¡Circuito de entrada de rango amplio bastante bueno!
@RussellMcMahon Usé la captura esquemática de proteus.

Respuestas (3)

Me parece bien. El diodo inverso D1 es una buena idea. Si tiene un mínimo de 12 V disponibles, es posible que desee reducir R2 un poco. Este circuito tiene un umbral de quizás 2V, fácilmente podría reducir a la mitad R2 o duplicar R1.

En el caso de un sobrevoltaje extremo momentáneo, el voltaje base-emisor (con polarización directa) no superará un voltio más o menos, incluso con 100 mA. Parece otro diodo en paralelo inverso a D1. Una de las ventajas de un BJT en esta aplicación. Es más probable que la limitación sea la clasificación de voltaje de R1.

Si desea considerar una sobretensión sostenida , es posible que deba considerar la potencia nominal de R1. Si algún idiota lo conecta a la red eléctrica (por lo general, podemos suponer que alrededor de 240 VCA es el voltaje máximo al que los idiotas también tendrán acceso; los idiotas con acceso a voltajes más altos son una especie de problema de autoeliminación), entonces R1 se disiparía casi 6W, por lo que tendría que ser una parte físicamente grande. Podría resolver ese problema aumentando el valor de R1 para que se pueda usar una parte más pequeña.

La única fuente de sobretensión es EMI. Así que creo que las resistencias estándar funcionarían bien. No seguí el primer párrafo de tu comentario. Tengo un mínimo de 12 V disponible (proviene de una batería de automóvil) pero no entiendo qué haría la reducción de R2. ¿Cuidado para elaborar?
Cambia a aproximadamente 2 V, que es un poco bajo (6 V debería ser lo suficientemente bajo para la batería de un automóvil), por lo que tal vez desee cambiar el umbral a 4 V más o menos. Añade un poco de inmunidad al ruido. A menudo, verá una serie Zener en circuitos industriales por este motivo, pero creo que cambiar una resistencia 2:1 está bien en este caso.
@SpehroPefhany LOL sobre los idiotas que se autoeliminan. El único comentario adicional es el tiempo de respuesta. Con los valores de resistencia y límite relativamente grandes, el OP puede querer asegurarse de que el circuito reaccione lo suficientemente rápido para la aplicación. Él menciona específicamente el filtrado de paso bajo, por lo que probablemente ya lo haya considerado, pero no está de más verificarlo dos veces.

Yo mismo diseñé un circuito muy similar una vez cuando necesitaba algunas entradas "robustas". Sin embargo, usé R1 = R2 = 100k (en lugar de 10k). Realmente no se necesita mucha corriente de entrada para saturar Q1 con R3 = 10K. Reduzca C1 por el mismo factor si desea mantener la misma frecuencia de esquina.

Si desea algo de histéresis para mejorar las características de conmutación, podría considerar colocar una resistencia de 100 Ω entre el emisor de Q1 y la tierra, y luego conectar el extremo inferior de R2 a esa unión.

+1 para el método de agregar histéresis. Es increíble lo que puede hacer el más mínimo susurro de retroalimentación positiva para silenciar las entradas lentas y/o ruidosas.

El circuito se ve bien para un uso no demasiado exigente.
En extremos extremos, puede tartamudear.

No se especificaron la respuesta de frecuencia a la señal de entrada ni los tiempos aceptables de subida y bajada y, si es importante, es necesario conocerlos.

Vbe de Q1 sujetará la base a ~= 1V máx.
Ibe se puede limitar usando, digamos, dos diodos desde la unión R1-R2 a tierra y una pequeña resistencia (digamos 100 ohmios) desde este punto hasta la base Q1 para que los diodos sujeten los transitorios Vin masivos a aproximadamente 1.5 - 2 V y el transistor sujete la base decir 0.7V.
Ejemplo: si un transitorio conduce la entrada a 1000 V, I_R1 = 100 mA.
Si dos diodos sujetan el extremo inferior de la parte superior de R1, digamos 2V, la corriente base es entonces
(2V-Vbe)/100R = 13 mA.
Los valores se pueden ajustar a la medida.

Las resistencias tienen clasificaciones de voltaje que son independientes de la disipación.
A voltajes muy altos, la clasificación de voltaje de R1 se vuelve importante.
La disipación en R1 es ~ = V ^ 2 / R, por lo que 1 vatio a 100 V con R1 = 10 K.
A 1000 V R1, la disipación es V^2/R = 1 000 000/10 000 = 100 vatios.
No querrá tener ese presente por mucho tiempo o tener que proporcionar una resistencia que pueda manejar ese estado estable.
Esto NO es necesario para ESD. Si alguna vez se encuentra en una situación en la que ocasionalmente puede haber un voltaje muy alto durante más de milisegundos, puede usar una entrada conmutada que se apague en condiciones de voltaje muy alto.

SI los tiempos de respuesta no necesitan ser altos, R1 puede incrementarse en valor para adaptarse a condiciones de mayor voltaje.

¿Cómo es este circuito para interconectar la señal de 20V con el microcontrolador 3v3?
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