Diseño de circuito electrónico automotriz: divisor de voltaje a pin uC ADC

Si está dispuesto a intercambiar los niveles de señal de salida de "entrada alta" frente a "entrada con conexión a tierra" (en otras palabras, una salida de +5 V significa una entrada con conexión a tierra y una salida de 0 V significa que el positivo de la batería está conectado), entonces esta pequeña ventana simple el comparador que usa un par de BJT podría funcionar para usted:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

D1 introduce una "ventana" de diferencia de 4,7 V entre los potenciales en las dos bases, de modo que cuando aparece un potencial en IN, solo se puede encender uno de los transistores en cualquier momento.

Cuando la entrada supera los 8 V, la base de Q2 comenzará a aumentar, eventualmente encendiéndose por completo, sacando el potencial de tierra. Q1 permanece apagado porque su propia unión base-emisor tiene polarización inversa. Nunca se puede polarizar demasiado en sentido inverso, ya que el potencial en su base está sujeto a un máximo de poco más de 5 V por D1 y la unión base-emisor de Q2.

R1 y R2 forman un divisor de potencial entre la entrada y +5 V, lo que establece el potencial de entrada necesario para encender Q1 en aproximadamente 3 V. Cuando la entrada cae por debajo de eso, Q2 se enciende y eleva la salida a +5V.

Con una entrada entre estos dos umbrales, ninguno de los transistores está encendido y el potencial en OUT se establece a medio camino entre el suministro de 5V y tierra por R4 y R5.

En el caso de que IN esté flotando, no conectado a nada, no hay una fuente de corriente a través de R1 que pueda desviar cualquiera de los transistores a la conducción, por lo que con Q1 y Q2 apagados, la salida es de +2.5V.

Aquí hay un gráfico de$V_{OUT}$contra$V_{IN}$:

El circuito puede tolerar potenciales de entrada superiores a 100V. La resistencia R1 se elige para pasar suficiente corriente a través de R2 y R3 para polarizar las bases del transistor, pero no tanto como para disipar más de 250 mW. Probablemente sea una buena idea reemplazar R1 con un par de resistencias en serie (con un total de aproximadamente 50 kΩ), para compartir el potencial de entrada por igual y evitar tener demasiado voltaje en una sola.

Diría que un divisor no es suficiente ya que, según las especificaciones, necesita 5 V cuando la batería está conectada. La batería puede pasar de unos 8 V a… 18 V nominales, pero es necesario protegerla hasta unos 100 V, en el peor de los casos. Hay un ISO con las señales requeridas "tiene que sobrevivir". Su máximo de 32 V probablemente se refiera a una condición de batería de arranque rápido, IIRC debe ser por no más de 60 segundos.

Comenzaría con algunos TVS apropiados (hay partes diseñadas específicamente para la condición de descarga de carga) para sujetar a un nivel sensato (generalmente alrededor de 30 V, verifique la clasificación de paso del diodo). Si necesita un voltaje continuo de 32 V, bueno, hay muchas clasificaciones para estos. Un diodo de protección inversa (no desea conectarse a la línea de la batería) y, por último, una abrazadera de resistencia-zener a 5V y un pullup a 2.5V para manejar la caja desconectada. Condensadores de filtro de abeto según sea necesario ya que la línea de la batería es un infierno.

Personalmente, protegería los 2.5V y la salida con un seguidor de voltaje para aislar mejor el circuito, pero no es estrictamente necesario. Esa también sería otra buena oportunidad para filtrar, si es necesario.

En realidad, hay un caso en el que este circuito falla: durante el arranque en frío (arrancar el motor en invierno) la línea de la batería puede (según las especificaciones) bajar a aproximadamente 4 V, y este es el voltaje que tendría en su línea de salida. Depende de su definición de 'batería conectada' y cuánto margen de maniobra en los valores de salida que tenga.

Lamentablemente, esto solo funciona con batería baja debido a la corriente de fuga del diodo. Realmente no es una buena práctica. Podría hacer un artilugio de transistor como ejercicio, pero será difícil alcanzar los rieles y tener transiciones 'afiladas' . En 2020 tenemos una mejor solución para estas cosas (¡de hecho, tenemos circuitos integrados de monitor de batería dedicados!)

De hecho, detectar la situación de 'cable desconectado' es difícil en sí mismo, ya que cualquier componente de protección o filtro requerido atraerá la señal hacia un riel de alimentación (tierra, por lo general). La misma protección TVS, para una entrada de alta impedancia, se vería como una línea puesta a tierra. Creo que la única forma de hacerlo es tratar de forzar una pequeña corriente y ver si se conecta a tierra. Esto lo podria sacar del riel de 5V ya que si no sale porque hay 12V, pues tienes 12V para ver en las entradas. Con un posicionamiento inteligente en el comparador, podría hacerlo.

Definitivamente no es simple, en mi opinión. Si hay umbrales de batería definidos, la forma habitual de hacerlo es esta:

• Supongamos que 2-4V está prohibido y se detectará como desconectado.
• Reduzca la escala de la batería con el divisor para que, digamos, 12 V sea 5 V en la salida
• Agregue un pullup a algún voltaje de referencia que la batería no pueda tener para que con la batería desconectada el voltaje sea de 3V. ¡Aquí es donde los ejercicios de resistencia de red se hacen realidad!
• Zener a 5V (4.7V, en realidad, es el zener estándar más cercano). Tenga cuidado de tener suficiente corriente zener para que funcione
• En la salida, coloque dos comparadores que se levanten cuando el voltaje sea superior a 4 V y se bajen cuando el voltaje sea inferior a 2 V.

Esto es más o menos lo que yo haría:

Los comparadores deben tener salidas push-pull para funcionar, es una variación común en el comparador de ventana (tal vez haya una versión integrada)

Esto tiene, por supuesto, inconvenientes en las especificaciones originales:

• Hay un rango de tensión de batería que se detecta como desconectado;
• La salida no es de 0 V y 5 V, sino de aproximadamente 0,3 V y 4,7 V (pérdida de diodo); esto no es perfecto, pero sigue siendo fácilmente detectable.