Usando 3.3V o 2.5V para ADC y alimentando Op Amp desde 3.3V o 5V

Entonces la idea es que AIN1 acepte una señal de 0-5 V que esté protegida contra cortocircuitos a 30 V.

También quiero conectar un termistor entre GND y AIN1 sin componentes externos (resistencia y fuente de alimentación), por lo que tengo el lado izquierdo del circuito que proporciona un voltaje de referencia de 5V. El interruptor FDv304Ps entre 4k02 y 560R brinda una mejor resolución en un amplio rango de temperatura.

De momento AIN1 está protegido con un SMBJ5.0A

AIN1B es la salida y luego se conecta a un ADC en un STM32F

Esta fue mi primera idea:

Ignore la falta de símbolo de tierra, es porque tengo múltiples bases analógicas y múltiples símbolos diferentes se volverían confusos.

AINB es la salida.

Entrada analogica

Pero después de investigar un poco encontré los siguientes problemas:

Cuando se usa un termistor, sería muy difícil escalar debido a que un divisor de voltaje (el termistor y TR1/2) alimenta a otro (R122 y 125).

El SMBJ5.0 introducirá un error en el divisor de voltaje, pero creo que puedo solucionarlo usando un SMBJ13A que tiene una corriente de fuga mucho menor.

  1. ¿Es mejor agregar un amplificador operacional seguidor de voltaje entre AIN1 y R122 o simplemente usar un SMBJ13A en lugar del SMBJ5.0A?

  2. Esta pregunta solo es relevante si uso el segundo amplificador operacional. Tendré que alimentar el primer amplificador operacional (IC11B) con 5 V para poder aceptar la entrada de 5 V o si se activa un MOSFET sin un termistor conectado. Esto significará alimentar el segundo (IC11A) con 5V. ¿Esto afectará la salida AIN1B o seguirá teniendo un máximo de alrededor de 2.5V? Ahora sé que la salida no se verá afectada por la fuente de alimentación del OA

  3. En este momento, las resistencias están configuradas para permitir un máximo de 2,5 V y estoy usando una referencia de precisión de 2,5 V para suministrar el pin Vref+ del STM32F. Esto se hizo por recomendación, pero no estoy seguro de por qué. ¿Debo dejarlo como está o usar resistencias de 17k y 33k y una referencia de 3v3? ¿Cuáles son los beneficios de ambas opciones?

Los valores del termistor son vagos en el mejor de los casos, pero uno tendría los siguientes valores:

  • 20 °C 2,1 - 2,9 kΩ
  • 50 °C 0,68 - 1,00 kΩ
  • 90 °C 0,236 - 0,260 kΩ

El rango de temperatura sería de -5 a 100 °C.

Me preocupa más si el circuito real funcionará de manera confiable, estará protegido contra cortocircuitos de hasta 30 V y podrá leer la entrada analógica completa de 0-5V.

Actualización basada en comentarios y la brillante respuesta de Dorian:

El termistor se conectará entre AIN1 y una tierra externa con una capacidad de corriente mayor que cualquier vivo cercano, de modo que el lado de tierra de la conexión del termistor pueda considerarse totalmente protegido. Solo estoy después de proteger la entrada analógica (AIN1).

Cuando no se utilice un termistor, los FET se apagarán y se conectará un sensor con una salida analógica de 0-5 V a la entrada analógica. Un sensor típico será un sensor de presión automotriz de 3 hilos, con 5V, tierra y la señal de salida. 5V ya está protegido y la tierra es la misma que la anterior.

Ya no me preocupa el escalado, ya que los sensores deberán tener ingeniería inversa y tendré que usar tablas de búsqueda, etc.

Entonces, ¿este circuito funcionará según lo previsto y estará protegido contra cortocircuitos permanentes de hasta 30 V?

¿De qué otra manera puedo lograr esto?

Como se indicó anteriormente, ¿cuál es el beneficio de establecer una salida máxima y un voltaje de referencia de 2,5 V en lugar de usar resistencias de 17k y 33k y usar un voltaje de referencia de 3,3 V? ¿Qué harías y por qué?

Todo esto es bastante confuso. (1) ¿Por qué no está utilizando los símbolos de suelo adecuados? (2) ¿Cómo "el lado derecho del circuito" proporciona una referencia de 5 V? No hay fuente de voltaje allí. ¿Te refieres al lado izquierdo? (3) R122 y R125 están creando un divisor de voltaje para que el amplificador operacional (símbolo extraño) ni siquiera vea 2.5 V en su entrada. (4) AIN1B parece ser la salida analógica del circuito, no una entrada analógica.
¿Dónde está su especificación de termistor y especificación de presupuesto de error?
No se ve muy preciso como se muestra
¿Dónde está su especificación de diseño? ¿Cuál es el criterio de aceptación y la motivación para esta pregunta de diseño? ¿Quieres un mejor diseño o simplemente algunos comentarios sobre un diseño imperfecto? Por ejemplo, ¿cómo puede ser lógico que un Zener proteja pantalones cortos de hasta 30 V?
Quiero poder aceptar una entrada analógica de 0-5v mientras puedo usar un termistor, por lo tanto, el lado derecho del circuito. Debe protegerse de cortocircuitos permanentes de hasta 30V. Busco algunos comentarios sobre el primer circuito y un mejor diseño si mi circuito es realmente malo.
¿Puede agregar más detalles sobre el sensor utilizado? Tiene dos cables que puede conectar como desee a AIN1 y tierra o uno de ellos está conectado a tierra en el punto de detección? En el primer caso, ¿ambos cables corren peligro de ser tocados por la línea de 30V? ¿El punto de peligro está justo al lado del termistor o en el camino desde el sensor hasta el tablero? ¿Cuál es la capacidad actual de la línea de 30V?
Los sensores utilizados serán sensores automotrices tales como termistores de dos hilos y sensores de presión de tres hilos. Solo se debe proteger AIN1, el cable de tierra se puede considerar protegido y no me preocupa proteger el sensor en sí. La idea es que el usuario use cualquier sensor, configure los FET para un termistor o una salida analógica y cargue una tabla de búsqueda personalizada para ese sensor en particular.

Respuestas (2)

Actualización, voltaje de abrazadera corregido de 13 a 15

Su primer esquema en realidad fue bastante bueno

Con algunas modificaciones puedes hacer que funcione:

Reemplace SMBJ5.0A con un diodo de voltaje de abrazadera más alto que también tiene una corriente de fuga más baja como SMBJ13A que tiene una corriente de fuga de 1uA a 13V e incluso más pequeña por debajo de 5V

Suelte R125, no es necesario. Actualice, me equivoqué aquí, deje R125 para obtener una salida máxima de 2.5V.

Consecuencias:

La corriente de fuga a través del diodo de protección será aceptable, menos de 1uA, por lo que tendrá una medición precisa.

La corriente de la abrazadera será más pequeña ~ 30 A, pero no creo que realmente necesite los 100 amperios del diodo original, para 25 V a 100 A significa 0,25 ohmios de cables de termistor totales y una impedancia del conector que no es el caso para cables y conectores de señal pequeños .

El voltaje de la pinza será mayor (15V) pero aceptable:

  • Uc11 está protegido por R122 y US15
  • TR9 y TR5 están protegidos por los diodos internos R72 y R84, la corriente más alta puede ser a través de R72 Ir72 = (15V-5V)/560ohm = 17mA, la potencia sobre R72 es 10V x 10V / 560 ohm = 178mW
  • la potencia más alta sobre el termistor (a 100 Celsius ~ 200 ohmios) es de 15 V x 15 V / 200 ohmios = 1,125 W bastante alta pero aceptable para una termia corta, este es el peor de los casos cuando tiene un cortocircuito y la temperatura es de la parte superior de la gama.

por preguntas:

1) No, solo el primero que no es realmente un problema, la atenuación es muy baja y la salida del termistor no es lineal, por lo que de todos modos tendrá que usar tablas de búsqueda e interpolación. La corriente de fuga de SMBJ5.0 sigue ahí y es significativa.

2) Aún tendrá 2.5V, la fuente de alimentación OA no proporciona la salida.

3) Puede, lo mejor sería usar un voltaje de referencia derivado de +5VREF para que el resultado sea independiente del voltaje de referencia.

Actualización basada en nueva información (gracias por "brillante"), mi solución no es del todo una protección para un cortocircuito permanente a 30 V, después del cortocircuito ciertamente requeriría algún servicio para reemplazar algún fusible si coloca uno en la línea AIN o para reemplace algunos cables si no.

Entonces, después de especificar que es una aplicación automotriz, pensé que debe tener una línea de 12 V disponible, incluso con poca corriente, lo que me llevó a una solución de protección reversible con un MOSFET como en el siguiente esquema:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

¿Cómo funciona esto?

En el uso normal, M1 Vgs es de 12 V: vano en algún lugar por encima de 7 V, M1 está completamente abierto, Rds en la hoja de datos se establece como 0.1 ohm para 10 V 1.5 A, pero en los gráficos se puede ver que para Vgs> 4.5 V Rds no es mayor de 0,15 ohmios y puede despreciarse. M1 tiene voltaje Vds inverso, pero para esta aplicación no es importante ya que es inferior a 0,6 V (voltaje de diodo interno).

Cuando el voltaje de la fuente crece como resultado de un Vds corto que se vuelve positivo, el voltaje de la fuente puede crecer hasta 12 V - Umbral de Vds.

Esto limitará el voltaje AIN a 12 V (o cualquier voltaje que elija) menos el voltaje umbral de la fuente de la puerta (~ 4 V) y la corriente a unas pocas decenas de mA

Por supuesto, mantenga el diodo de abrazadera en caso de una falla catastrófica de M1.

Nuevamente, según los comentarios, los beneficios de tener un Vref más alto es que el ruido agregado y el voltaje de compensación de OA son más bajos con respecto a la señal activa.

Entonces, ¿realmente todo lo que necesito hacer es mantener el primer circuito pero cambiar el SMBJ5.0A por un SMBJ13A? ¿Qué pasa con las ventajas o desventajas de usar la salida máxima / voltaje de referencia de 2.5v en lugar de 3.3v?
@TerryGould Primera pregunta: Sí, si está bien que el termistor no está protegido al 100% en algunos casos extremos. De hecho, no hay nada que pueda hacer para protegerlo al 100% en esta configuración, incluso con un diodo de abrazadera de 5 V, el alto voltaje aún puede llegar al termistor después de quemar los cables y el conector del termistor. Si tiene un GND separado para el termistor, se puede hacer algo reduciendo la precisión y agregando una resistencia en GND, avíseme si desea más detalles.
@TerryGould Segunda pregunta: con una referencia de ADC más alta, el ruido agregado y la compensación de OA tendrán una contribución menor en el error general.

Parece que le preocupa que el voltaje llegue a su STM32F. Desafortunadamente, un SMBJ5.0A, como muchos supresores, tiene una corriente de fuga relativamente alta de 800 ua máx. Esto introducirá un gran error en su red de divisores de resistencias. Puede intentar crear un circuito con el amplificador de búfer en el lado desprotegido para que pueda tener una baja impedancia en el supresor.

Desde entonces actualicé, agregué otro amplificador operacional que creo que debería abordar algunas de las preocupaciones
Usando 3.3V o 2.5V para ADC y alimentando Op Amp desde 3.3V o 5V
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