Limitación de la corriente de entrada de las puertas lógicas con resistencias en serie que leen sus características eléctricas

Mi aplicación, que se muestra en el diagrama a continuación, tendrá líneas de control de 12 V/GND que llegarán a los pines de entrada de la puerta como estado 'alto' o estado 'bajo'. Las hojas de datos tienen dos valores para la corriente de entrada: 10 mA (valor nominal máximo) y 0,1 uA (como características estáticas).

Los interruptores de la placa externa pertenecen a una placa que se ha utilizado durante muchos años y no se pueden modificar. Las señales conmutadas (entre tierra o alta Z) se conectarán a la placa de puertas mediante un conector. Cada entrada de puerta tiene su propia resistencia pull up que se conectará al interruptor después de la interconexión de las placas.

Centré la discusión en la corriente de entrada de cualquier pin. Me gustaría saber la forma correcta de entender esta información y si la estoy manejando correctamente.

Mi pregunta es: ¿Cuál es el valor de resistencia pullup adecuado para limitar la corriente según sea necesario?

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

He elegido dispositivos de puerta lógica para trabajar con voltajes de entrada como 12V: NOR, AND, NOT, etc. Al leer la hoja de datos puedo ver las clasificaciones máximas y las tablas de características eléctricas. Esta es una información de la hoja de datos OR:

La tabla es de aquí

ingrese la descripción de la imagen aquí

Me preocupa la corriente de entrada máxima Ien que las tablas de la hoja de datos nos dicen que es 0.1uA.

  1. ¿Significa que debo limitar la corriente de entrada a este valor: 0.1uA?

  2. He estado probando mi función lógica. Como max Vin = 12V, puse una resistencia en serie entre el pin de 12V y el pin de entrada de la puerta lógica. Entonces la corriente estará limitada a R = 12V/I. Pruebo diferentes valores para R que permiten trabajar con 2mA, 1mA y 0.6mA y la aplicación sigue funcionando normalmente durante el tiempo de prueba. Pero me preguntaba si la forma correcta es obtener Iin menos de 0.1uA. Entonces, esto significa un valor de resistencia mucho mayor, ¡más de 20 megaohmios! ¿Tiene este enfoque algún sentido? Por favor, si mi argumentación es incorrecta, hágamelo saber.

  3. Teniendo en cuenta la hoja de datos y los cálculos; ¿Qué valor de corriente de entrada permitiría que se conduzca a través del pin de entrada? ¿Qué valor de resistencia elegirías?

NOTA: He elegido esta familia de Texas Instruments buscando una familia que permita trabajar con señales de control de 12V en sus entradas y sus salidas en estado alto. También elijo dispositivos que tienen más de una puerta. Usaré estas salidas para activar los relés de láminas, pero conectaré las salidas a un controlador, y las salidas del controlador van a los relés de bobina (concretamente al terminal negativo de bobina). La imagen es de la hoja de datos CD4073B y CD4081B. Hoja de datos aquí

Lo que ellos dicen. Pero, ¿por qué no especificar qué serie lógica le preocupa y decir por qué eligió esa familia lógica? Como se explicó, no debería haber ningún problema, PERO si las personas saben lo que está haciendo y no solo se les pide que trabajen con un subconjunto de información relevante, pueden ayudar mucho más.
@RussellMcMahon gracias por la sugerencia. He elegido este producto de Texas Instruments buscando familias que permitan trabajar con señales de control de 12V en sus entradas y sus salidas en estado alto. También elijo dispositivos que tienen más de una puerta. Uso estas salidas para activar relés de láminas, pero conectaré las salidas a un controlador, y las salidas del controlador van a los relés de la bobina (concretamente al terminal negativo de la bobina). La imagen es de la hoja de datos CD4073B y CD4081B.
Gracias por la edición. He agregado un enlace de hoja de datos a su respuesta. Otros han cubierto esto, pero en resumen, la puerta CMOS de la serie CD tiene uno de los drenajes de corriente estática más bajos de todos los disponibles. Digo "entre" porque la serie de CD son puertas "con búfer" con un consumo de corriente más alto (pero aún muy bajo) y una mayor unidad que las familias CMOS originales, como los circuitos integrados 74Cxxx. Estos no se consideran obsoletos y los circuitos integrados con búfer son adecuados para prácticamente cualquier tarea en la que sea apropiado un CMOS de propósito general.
Agregar resistencias de entrada en serie a las puertas lógicas suele ser una mala o muy mala idea. Además de las corrientes de fuga, las resistencias de 'pull-up' consumirán una corriente mínima cuando los interruptores estén abiertos, ya que la caída en las resistencias será cercana a cero. Si la corriente mínima posible es absolutamente esencial, entonces usar interruptores SPDT en lugar de SPDT, conectar la entrada de la puerta al terminal común del interruptor y quizás agregar un pullup al pin ayudará. || Los aumentos de 10 megaohmios son aceptables en condiciones limpias y secas (o bien recubiertas). Tenga en cuenta el efecto del flujo de corriente de fuga en las resistencias pullup
Hola, @RussellMcMahon, estoy un poco confundido, ¿dónde dices que debo poner un interruptor y la resistencia pull up? Los interruptores de la placa externa pertenecen a una placa que se ha utilizado durante muchos años y no se podía modificar. Las señales conmutadas (entre tierra o alta Z) llegarán a la placa de puertas mediante un conector. Cada entrada de puerta tiene su propia resistencia pull up que se conectará al interruptor después de la interconexión de las placas. En otras palabras, estaba solicitando el valor de la resistencia adecuada para limitar la corriente según sea necesario.
Reorganicé su pregunta y agregué información de sus comentarios. Creo que la pregunta ahora transmite primero su requisito principal y luego plantea cuestiones que se basan en malentendidos. Las dos respuestas hasta ahora son correctas, pero tienden a confundirlo al abordar aspectos sobre los que no preguntó directamente.

Respuestas (2)

Está mezclando dos conjuntos de calificaciones. La parte de la tabla de la hoja de datos muestra la corriente de entrada máxima que podría esperar ver si la pieza fue alimentada desde un suministro de 18 V con entradas en un rango normal dentro de los niveles de voltaje de suministro. De hecho, para ese caso de prueba, la entrada se fijó en 0,18 V. Esta especificación de corriente es realmente una corriente de fuga que se debe principalmente a los diodos de protección de entrada en la parte que tendrá más fugas a medida que aumentan los voltajes.

La sección de clasificación MÁXIMA donde muestra los límites de corriente de entrada de +10/-10 mA es lo que el fabricante dice que es la corriente máxima en una sola entrada que se puede permitir antes de que la pieza deje de funcionar. Es probable que esto solo ocurra si los diodos de protección de entrada en el chip comienzan a polarizarse directamente (es decir, el voltaje de entrada se acerca a VDD+0.5V o GND-0.5V).

Si el diseño de su sistema es tal que puede asegurar que sus entradas al dispositivo lógico permanecerán dentro del rango de voltaje de la fuente de alimentación, entonces no debería haber necesidad de poner resistencias en serie con las entradas al chip. Por otro lado, si sus entradas pueden tener una tendencia a salirse del rango de tensión de alimentación en más de unas pocas décimas de voltio, querrá tomar medidas para proteger el chip. Una forma es diseñar las señales de entrada con un circuito de sujeción que evite que los niveles de la señal suban demasiado por encima de VDD o demasiado por debajo de GND. La otra cosa que se puede hacer es agregar resistencias en serie como las que está preguntando. El valor de la resistencia que seleccione dependerá de cuánto desobedecen las señales de entrada los niveles de tensión de alimentación. La resistencia seleccionada debe asegurarse de limitar la corriente en los diodos de protección de entrada con polarización directa en el chip. Claramente, lo mejor es limitarse a menos de la especificación máxima de +10/-10 mA. Una buena opción operativa puede ser +1/-1mA.

Las resistencias en serie pueden ser una desventaja para algunas aplicaciones donde el chip se usa para señalización de alta frecuencia. Las entradas a estos chips exhiben cierta capacitancia y la resistencia en serie forma un circuito RC que ralentiza la señal que llega al chip.

Supuse que la calificación máxima está antes de romperse o no funcionar. Tiene razón sobre la condición de prueba Vin = 0.18V. La otra pregunta que me está diciendo es si mi voltaje de entrada se mantiene dentro de este rango, los diodos VDD + 0.5V o GND-0.5V no deberían polarizarse hacia adelante. También necesito las resistencias para hacer las entradas pull up y no tener estados de alta impedancia allí (en las entradas de las puertas). También he elegido la limitación de corriente de 1 mA. Entonces, cuando Vin = GND, la corriente conducirá desde el nodo de 12 V a través de la resistencia. Supongo que esta corriente inversa (el naranja se estrecha) no afecta a esos diodos.

En primer lugar, la calificación "Máxima absoluta" de ±10 mA se refiere a la cantidad de corriente que puede forzar a través de los diodos de protección de entrada sin destruirlos físicamente, es decir, forzando el voltaje de entrada a un valor fuera de los rieles de suministro. Si sus entradas pueden hacer eso, necesitará tener resistencias en serie para limitar la corriente.

Tenga en cuenta que los niveles de corriente que no destruyen el dispositivo aún pueden interrumpir su funcionamiento al introducir corriente en el sustrato del chip que no debería estar allí. En el peor de los casos, esto puede provocar un "enganche", en el que el chip esencialmente corta su propia fuente de alimentación a tierra a través de una estructura SCR parásita. Si la corriente de suministro no está limitada, esto también puede destruir el chip.

Por lo tanto, desea mantenerse alejado de forzar cualquier corriente significativa a través de esos diodos de protección. La mejor manera de hacerlo es usar diodos Schottky externos como abrazaderas (tienen una caída de voltaje directa más baja que los diodos en el chip), junto con una resistencia en serie limitadora de corriente que protege esos diodos externos de la sobrecorriente.

Por ejemplo, si esta es una aplicación automotriz/industrial que podría ver transitorios de ±200 V en las entradas, y desea limitar la corriente de entrada a 1 mA, entonces necesitará usar resistencias en serie de

200  V 1  mamá = 200  kΩ

La otra especificación (±0,1 µA) es para "corriente de fuga". Las entradas CMOS nominalmente consumen corriente cero, ya que son esencialmente las puertas de los MOSFET. Pero el circuito de protección de entrada puede tener una cierta cantidad de corriente que fluye a través de él durante el funcionamiento normal, y la hoja de datos le indica que no será superior a ±0,1 µA.

No necesita limitar externamente la corriente a ese valor; el dispositivo lo hace solo. Pero pone un límite superior en el tamaño de las resistencias pullup y pulldown que puede usar: deben poder pasar esa cantidad de corriente mientras mantienen el nivel de voltaje lógico correcto. Por ejemplo, si desea que su pullup/pulldown no caiga más de, digamos, 2 V, entonces su valor no puede ser mayor que

2  V 0.1  µA = 20  MΩ

Otros factores (p. ej., la velocidad de conmutación) normalmente dictarán valores más bajos que este de todos modos.

Hola, @Dave Tweed, lo tengo, por lo que mi cálculo de valor es el valor límite superior en lugar del valor mínimo que necesito. Gracias por esta aclaración por lo que ha sido realmente útil. También estaré pensando en los diodos Shottky.
Limitación de la corriente de entrada de las puertas lógicas con resistencias en serie que leen sus características eléctricas
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