Protección de un comparador en un dispositivo de medición de tensión

Estoy construyendo un dispositivo para medir la tensión de un cable conductor usando un Arduino.

El concepto básico del circuito consta de dos etapas:

  1. El cable se coloca en un fuerte campo magnético. Luego, el Arduino envía un pulso de diente de sierra de 2 segundos que sube a 24 V a través del cable, lo que hace que vibre en su frecuencia fundamental que oscila entre 60 y 200 Hz.

  2. Dado que el cable ahora vibra en un campo magnético, produce una FEM de CA inducida con la misma frecuencia de vibración. El voltaje en el cable se amplifica usando un comparador que envía una onda cuadrada al Arduino donde se mide la frecuencia. Entonces, calcular la tensión a partir de la frecuencia fundamental es muy sencillo.

Un esquema más detallado:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Estoy buscando una manera de proteger el comparador de 5 V del pulso de 24 V que atraviesa el cable que no afectará mi capacidad para medir el voltaje inducido más adelante.

Una solución ideal sería una forma de cambiar el sistema de la "etapa de pulso" a la "etapa de medición", desconectando cada vez la parte innecesaria del circuito. Estaba pensando en lograr eso usando un interruptor MOSFET, pero lo arruiné todo. Me las arreglé para lograrlo con un relé mecánico que desconecta el comparador, pero prefiero encontrar una solución diferente.

Tenga en cuenta que este es un dispositivo individual que no se producirá en masa, por lo que una solución no tiene que ser rentable.

Este es el primer circuito que diseño y la primera vez que pido ayuda en StackExchange, por lo que si hay algo que no está claro, díganoslo y estaré encantado de explicarle un poco más.

¿Por qué no pasar el pulso por un transformador y TVS antes de comparar?
Puede elegir entre, al menos, tres enfoques: A. proteger la entrada del comparador de la señal de 'excitación' de 24 V para que pueda permanecer en el circuito todo el tiempo, o B. aislar la entrada del comparador mientras se aplican pulsos, o C tanto A como B. La opción C parece ser la más robusta y ofrece más opciones para B.

Respuestas (2)

El MAX913 tiene una corriente de polarización de entrada bastante alta (máximo 8uA) por lo que no tolerará demasiada resistencia en serie en la entrada antes de que comience a ver errores significativos. Incluso 1000 ohmios pueden causar una compensación de más de 5 mV.

Una resistencia en serie de quizás 500 ohmios y diodos Schottky consecutivos (paralelo inverso) (por ejemplo, 1N5817 ) en la entrada pueden funcionar para usted. Presumiblemente, la señal del cable es inferior a un par de cientos de mV (si no, estará excediendo el rango de CM de entrada del comparador y también obtendrá algo de amortiguación del cable con esta configuración). Agregue otros 100 ohmios de los diodos a la entrada si se siente paranoico. También una resistencia coincidente de aproximadamente 500 o 600 ohmios respectivamente desde la entrada inversora a tierra para igualar las compensaciones debidas a la corriente de polarización.

Editar: también debemos considerar la resistencia del cable, por lo que la resistencia debería ser 510 + 100 + 200 ohmios en este caso, o 810 ohmios.

La corriente de polarización de entrada del comparador puede ser de hasta 8 uA de cada entrada, pero la diferencia entre las dos corrientes es muy similar... solo 300 nA a temperatura ambiente típica y 1 uA en el peor de los casos por exceso de temperatura. Eso significa que si igualamos la resistencia, el desplazamiento debido a la corriente de polarización será solo de 0,24 mV típico y de 0,8 mV como máximo en el peor de los casos. Dado que el comparador en sí tiene un desplazamiento de 0,1 mV típico y 3 mV máximo en el peor de los casos, no cambia mucho las cosas.

P.ej:-

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Déjame comprobar si lo hago bien: R1 está ahí para limitar la corriente que fluirá a través de D1 mientras el pulso es alto. Pero dado que el comparador tiene una corriente de polarización de entrada de 8uA, también significa que la señal inducida tendrá una caída de voltaje de aproximadamente 4,8 mV cuando se mida (8uA*(R1+R2)). No estoy seguro de qué tan fuerte es la señal, pero supongo que puedo encontrar un comparador con una corriente de polarización de entrada más baja si es necesario. El aumento de R1 significaría menos potencia disipada y también menos corriente extraída de la fuente. ¿Cuál es el propósito de R2, D2 y R3? ¿Hay alguna razón por la que la resistencia cerca de ambas entradas deba ser la misma?
D2 protege la entrada si el cable suena por debajo de cero. No lo deje fuera: si sube a más de un par de cientos de mV negativos, pueden ocurrir cosas malas. R2 mantiene la corriente baja en el diodo parásito de entrada incluso si el voltaje es bastante negativo en D2. R3 se deshace de la mayor parte del desplazamiento. La corriente de compensación de entrada del chip suele ser de solo 300 nA. Pero no consideré la resistencia del cable y lo corregiré con una edición y una explicación anterior.

Sugeriría diodos de abrazadera, una tapa de bloqueo de CC y una resistencia en serie. Los diodos de abrazadera se conectarían entre el pin de entrada del comparador y ambos rieles de voltaje, esto evita que el voltaje en el pin de entrada exceda el voltaje en los rieles de alimentación. Luego agregue una resistencia en serie para limitar la corriente que puede fluir a través de los diodos cuando el voltaje intente exceder los rieles. Luego debe agregar una resistencia paralela al voltaje de referencia del comparador. Luego agregue una tapa de bloqueo de CC de tamaño decente. La idea es centrar la oscilación alrededor del voltaje de referencia del comparador para que se dispare bien en los bordes. Dimensione las resistencias para que no atenúen demasiado la señal, pero proporcionen un límite de corriente decente. Dimensione el capacitor para que no reduzca el ancho de banda por debajo de lo que está tratando de medir.

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