Entrada lógica digital con rango de tensión de entrada muy amplio

Estamos desarrollando un producto de control industrial que se utilizará para monitorear la presencia o ausencia de voltaje que va desde 5V a 480V. Dado que la unidad será genérica y programable, esta entrada se puede usar en una variedad de formas impredecibles.

El problema con el que he estado luchando es cómo monitorear una gama tan amplia de voltajes con un diseño de circuito único. Por ejemplo, si conduzco un LED de optoacoplador directamente, no puedo hacer que los 5V lo enciendan sin que los 480V lo destruyan. Los reguladores de voltaje generalmente funcionan con un voltaje mucho más bajo que 480 V, por lo que tengo un pequeño dilema.

Las soluciones de control industrial que he visto resuelven este problema diciendo: "compre este otro modelo para entrada de alto voltaje" o "compre este convertidor de entrada de alto voltaje y agréguelo". ¿Es esa realmente la única solución aquí? ¿Estoy tratando de hacer lo imposible? ¡ Cualquier aporte sería apreciado, sin juego de palabras !

Una pregunta posiblemente relacionada

¿Es una línea de CC o CA? Una vez que una unidad ha sido "puesta en servicio", ¿es probable que el rango completo de entrada pueda convertirse repentinamente en 5 V cuando antes era de 480 V o es una instalación fija?
La entrada pasará a través de un puente rectificador, por lo que todo se tratará como CC ... Sin embargo, creo que veo a dónde vas. ¿Cómo detecta los modos de falla si 5V se ve igual que 480V?
no, no estaba insinuando ni sugiriendo, solo preguntaba si una instalación está configurada a 480v, ¿se mantendría así o se esperaría razonablemente que bajara mucho más y no estuviera en una condición de falla? Podría ayudar si explica un poco más sobre una instalación típica.
Supongo que ese es el punto... no sabemos cómo será una instalación típica. El cliente lo conectará a lo que quiera monitorear.
entendido. Todo depende del ruido. Según la respuesta de Olin, si usara un atenuador grande y buscara una señal mayor que, digamos, 40 mV, funcionaría. Use un comparador (es como un opamp), pero si el ruido o la ondulación tomaran una señal por debajo del umbral, aún se dispararía cíclicamente con una buena señal. Básicamente, se requiere más información de su parte.
No creo que esto sea del todo imposible, pero creo que será bastante costoso, muchos dólares por entrada, particularmente si tiene que cumplir con las aprobaciones de la agencia de seguridad. ¿Qué voltaje transitorio tiene que soportar en los 480V? 1kV? 4kV?
@SpehroPefhany: dado que somos bastante nuevos en los controles industriales, no sé exactamente qué aprobaciones de la agencia de seguridad se necesitan, si las hay. Si pudiéramos soportar transitorios de 1kV, eso debería ser suficiente.
Creo que necesitará al menos una distancia de fuga de 10 mm para 480 V CA. Hay resistencias nominales adecuadas para el enfoque de Olin, pruebe con Vishay.
Gracias, @SpehroPefhany, eso es útil. Veré si puedo encontrar una tabla para buscar distancias de fuga.

Respuestas (5)

Debería poder hacer esto si piensa en este voltaje de entrada como una señal analógica. Atenúelo en 100, y tendrá algo en el rango de 0-5 V. 5 V en da como resultado solo 50 mV, pero aún es lo suficientemente alto como para detectar por encima de cualquier nivel de ruido razonable.

Podría ser una buena idea ejecutar esto en un micro para medir realmente el voltaje, luego hacer que el código decida si el voltaje de entrada está realmente "presente" o no. Con un rango de 100:1 de este tipo, espero que no sea tan simple como verificar si hay más de 4 V, por ejemplo, o no. Con suerte, el código puede verificar cuál es el nivel esperado, tal vez ver que es bastante estable, o lo que sea. Tenga en cuenta que una línea que está a 480 V cuando está "encendida", puede tener más de 5 V de ruido cuando está apagada. Creo que será útil alguna lógica que haga más que una simple comparación tonta de umbral fijo.

Debido al alto voltaje, desea utilizar un divisor de alta impedancia, de lo contrario, disipará una potencia significativa. Parece que la resistencia superior de 1 MΩ y la resistencia inferior de 10 kΩ podrían funcionar. Eso no es exactamente 1/4 W a 480 V y, por supuesto, mucho menos a voltajes más bajos. También proporciona una salida de impedancia de 10 kΩ para controlar la entrada A/D.

Gracias, Olin. El único inconveniente que puedo ver es la incapacidad de insertar aislamiento, pero eso puede no importar si estamos usando una resistencia de 1M. ¿Cuáles son tus pensamientos?
Siempre puede tener el aislamiento usando un pequeño microcontrolador en el lado "caliente" de un optoaislador.
@Wouter, pensé en eso, pero eso requeriría que proporcionara energía al uC desde el lado caliente, que a su vez necesita un vreg capaz de una entrada de 1000 V ... ¡Si pudiera hacer eso, este problema estaría resuelto! :-)
@Olin, podemos proporcionar un "aislamiento del hombre pobre" dividiendo el 1M en dos 500K y colocándolos en V + y V- entrantes. Eso eliminaría la necesidad de optoaisladores, creo.
Puede proporcionar la energía desde un lado de bajo voltaje utilizando un convertidor CC-CC de alto voltaje de aislamiento, no desde la señal de entrada.
puede usar un convertidor dc a dc. Estos normalmente tienen un aislamiento de 1500 voltios entre la entrada y la salida como mínimo.
hay un eco aquí lol.
Gracias @Spehro y Andy. No había pensado en eso, pero lo tendré en cuenta si surge la necesidad de aislamiento > 500V. Creo que podemos salirnos con la nuestra simplemente usando el divisor de alta resistencia.
Sí, estaba pensando lo mismo que Spehro y Andy. Si necesita aislamiento, proporcione un poco de energía a través de un pequeño transformador cortado a 100 kHz de un suministro conocido en el lado aislado. El divisor, el micro y cualquier otra cosa finalmente enciende el opto para indicar la presencia de voltaje, todo funciona en el lado caliente de la energía recibida a través del transformador. Unos 100 mW deberían ser suficientes. Esa señal de entrada real solo impulsa el divisor y, por lo tanto, puede especificar una impedancia conocida.

El divisor de voltaje R1, R3 necesita crear aproximadamente el voltaje de umbral de Nmos, que generalmente es de alrededor de 0,7 V cuando la entrada es de 5 V. El diodo Zener está ahí para proteger la puerta Nmos, por lo que cualquier cosa por encima del voltaje Zener elegido cae directamente a tierra. Esto permite un rango de entrada muy amplio. R1 debe tener una resistencia de aproximadamente 1 Mohm o más para evitar un flujo de corriente excesivo en el lado de entrada. La salida es una salida de amplificador inversor de fuente común simple. R2 debe coincidir con la corriente de salida que desee, es decir, Vdd/R2=I. Asegúrese de que Vdd NO sea lo mismo que su señal de entrada. Debe estar a un nivel que M1 pueda manejar.

La forma en que funciona este circuito es entre 0 y 5 voltios, el divisor de voltaje no debe proporcionar un voltaje lo suficientemente alto como para alcanzar el voltaje de umbral de Nmos. Por encima de 5 voltios se alcanza el voltaje de umbral, el nmos se enciende y conduce la salida a tierra. Si la entrada se vuelve muy alta y el divisor de voltaje comienza a pasar a través de un voltaje demasiado alto, el diodo Zener "se activa" y limita el voltaje de entrada a, en este caso, 5V máx.

El umbral de 5 V no es muy preciso, ya que los voltajes de umbral en los mosfet tienden a variar según el proceso que los creó. Si se necesita una mayor precisión, me dirigiría a una solución de amplificador operacional a menos que las soluciones digitales mencionadas en las otras respuestas también funcionen.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Creo que su rango de voltaje será difícil de lograr con un circuito.

Hice entradas industriales que eran robustas para entradas en el rango de 0 a aproximadamente 50V. Usé un LED de optoacoplador como entrada. En lugar de usar una resistencia para sesgar el optoacoplador, usé un diodo regulador de corriente frente al LED que conduce a un aumento lineal de la disipación de energía en el componente de polarización a medida que aumenta el voltaje en lugar de un aumento al cuadrado como se obtiene con una resistencia.

He usado una estrategia ligeramente diferente para detectar altos voltajes con un optoacoplador. Publicaré el circuito de eso en breve.

Los diodos limitadores/reguladores actuales son geniales, abordé un problema similar hace un tiempo, así que pensé en compartir mis hallazgos:

Usé un rectificador en varios diodos limitadores de corriente en serie para controlar un optoaislador. El Semitec E-202 pasa 0.5-2 mA a través de un rango de voltaje de 0.5 a 100V. Seis E-202 en serie en un Vishay SFH618 Opto deberían pasar 0,5 mA con bastante facilidad (suponiendo que haya algo así como 3,3 V o 5 V disponibles para el suministro de opto).

No hay mucho margen de maniobra y su señal de salida será bastante pequeña, pero tendrá un muy buen aislamiento y una detección confiable de presencia/ausencia de voltaje entre aproximadamente 4,5 V y 600 V (recuerde que 480 Vrms le da 580 V CC fuera de el rectificador).

480v * 1.414 = pico de 670 voltios
¡Gracias por la información específica! Tendré que investigar eso.

TI tiene una solución bastante buena que puede ayudarlo a detectar hasta 350 V CC. La idea es limitar la corriente mediante una resistencia y un circuito limitador de corriente adicional:

Interfaz de aplicaciones de alto voltaje con controladores de baja potencia

Entrada lógica digital con rango de tensión de entrada muy amplio
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