Quero medir a frequência (até 300 Hz) de um sinal retangular, que varia entre 0V e Vtop, onde Vtop é qualquer coisa entre 5V e 15V. Como não posso aplicar mais de 5V no microcontrolador ( PIC16F1827 ), preciso limitar a tensão de alguma forma.
Minha primeira idéia foi usar um divisor de tensão. Mas então o sinal de entrada de 5V seria baixo.
A segunda abordagem é usar um opamp ( TS914 ). Quando eu estiver ligando a 5V, a saída não excederá 5V. Eu já tenho esse opamp no meu projeto, para filtrar outra medição de tensão. Mas quando olho para a folha de dados, diz (Na seção "Avaliações máximas absolutas"):
A magnitude das tensões de entrada e saída nunca deve exceder VCC + + 0,3V.
Devo adicionar outro opamp, por exemplo, LM324 ? A folha de dados diz (Faixa de tensão de modo comum de entrada (Nota 10)):
A tensão do modo comum de entrada de qualquer tensão do sinal de entrada não deve ser negativa em mais de 0,3 V (a 25 ° C). A extremidade superior da faixa de tensão em modo comum é V + - 1,5V (a 25˚C), mas uma ou ambas as entradas podem ir para + 32V sem danos (+ 26V para LM2902), independentemente da magnitude de V +.
Portanto, o LM324 não seria danificado, mas funcionaria no meu design (emitindo um sinal retangular de 5V)?
A última idéia que tive foi usar diodos zener. Isso funcionaria?
O que você faria para resolver esse problema? Existe outra possibilidade em que eu não pensei?
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Respostas:
Solução resumida:
Um resistor de 390 ohm e um zener de 4V7 farão o que você deseja, desde que você possa tolerar a carga de corrente de entrada de 25 mA.
O uso de um amplificador operacional permite resultados um pouco melhores, mas a solução de um transistor deve ser totalmente adequada.
NUNCA permita que o diodo de aperto / proteção do IC carregue corrente durante a operação normal. Você está convidando a não confiabilidade e a operação inesperada e possivelmente inadequada todos os dias da vida do seu produto. Fazer isso durante a operação normal sempre viola as condições da folha de dados.
Os resultados são imprevisíveis.
Nenhum design profissional faria isso .
As notas de aplicativos que recomendam geralmente não são profissionais.
Veja a seção no final desta resposta.
Solução de transistor único:
A entrada é mostrada como 5-15V, mas qualquer coisa acima de 4V funcionará.
Quando vin = 4V Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4V = 0,6V.
Isso é idealmente adequado, mas em 5V você tem drive mais do que suficiente.
Os valores R1 e R2 mostrados são sugestões.
Valores de, por exemplo, 100k e 560k poderiam ser usados se R3 apropriado e transistor beta alto fossem usados.
A saída é inversa da entrada. ou seja, Vout é baixo quando Vin está alto.
R3 pode ser 10k ou o que for mais adequado.
Q1 para se adequar. Eu usaria um equivalente BC337 ou SMD (BC817?)
Se se deseja uma corrente de entrada muito baixa, R1 e R2 podem ser aumentados bastante com algum cuidado. por exemplo, com R1 = 1 megaohm, a corrente de entrada é de cerca de 15 uA a 15V e 5uA a 5 Volts. Se o transistor Q1 tiver um ganho de corrente de 100 (muito seguro, por exemplo, BC337-40), então Icollector = 500 uA, portanto, para um balanço de 5V R3> = 10k, diga que 22k up está OK.
Um fato extremamente valioso para saber sobre divisores resistivos !!!
Um fato pouco apreciado é que a razão entre dois valores de resistores N separados em uma escala de resistores padrão é quase constante.
Isso está implícito na maneira como os valores da escala são escolhidos.
Os valores do resistor E12 são
1
1,2
1,5
1,8
2,2
2,7
3,3
3,9
4,7
5,6
6,8
8,2
(10, 12, 15 ...)
12 valores e, em seguida, a série repete uma escala de 10x mais alto.
Então - os valores de 56k e 10k que mostrei para R2 e R1 estão separados por 8 valores. ou seja, comece com o valor 1 acima e conte 9 lugares e você obtém 5,6
QUALQUER dois valores 9 separados têm a mesma proporção (dentro da tolerância da escala) e podem ser usados para formar um divisor aproximadamente equivalente.
por exemplo, qualquer um dos 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k 100k / 18k etc.
Um diodo zener + um resistor farão o que você deseja, desde que a carga no circuito de entrada seja aceitável. Se você deseja reduzir a carga, um projeto baseado em opamp seria melhor.
A página 350 da folha de dados fornece níveis de tensão de entrada altos e baixos. O nível adequado depende do pino de entrada que você está usando, mas o valor mais seguro é> = 0,8 x Vdd ou em Vdd = 5V, Vinhi> = 4V.
A folha de dados também observa que Vin não deve ser maior que Vdd + 0,3V ABSOLUTE MAXIMUM (mesmo que não esteja funcionando corretamente) e, na prática, qualquer coisa acima de Vdd seria arriscado.
AVISO:
A recomendação da coalhada de usar uma braçadeira de diodo para o Vdd é prática comum, mas muito arriscada, pois injeta corrente no CI em locais não desejados pelo fabricante durante a operação normal. Os resultados variam e serão imprevisíveis. O uso de um Shottky em vez de um diodo de silício torna isso menos arriscado, mas ainda desaconselhado, e viola até as especificações máximas absolutas do fabricante.
Braçadeira Zener:
Este circuito simples pode muito bem ser suficiente.
O importante é garantir que o Vout atenda às suas especificações o tempo todo. Muitas pessoas usam um diodo zener xx Volt e assumem que terão XX volts. Em correntes baixas, isso geralmente está longe de ser verdade. As curvas abaixo mostram a tensão do zener com corrente para os zeners típicos. Observe que o zener 4V7 requer cerca de 1 mA de corrente para conduzi-lo acima de 4V. Se projetarmos no mínimo 2 mA, tudo ficará bem. Isso produz um resultado talvez inesperado.
5V in. I = 2 mA. Vzener esperado = 4V2.
R = (5V - 4,2) / 0,002 A = 0,8 / 0,002 = 400 ohms.
Diga 390 ohms = valor padrão do resistor E12.
Em 15 V, esperamos que a corrente seja SOBRE (15-5) / 400 = 25 mA.
25 mA pode ser mais do que você deseja permitir.
Uma faixa mais baixa de Vin permitirá uma faixa mais baixa de Imin-Imax e Vin min alguns volts acima de 5V também ajudaria bastante.
Potência no resistor = V x I = (15-5) x 25 mA = 250 mW = resistor de 500 mW.
Curvas de tensão de corrente Zener V02 x2.jpg
Exemplo de folha de dados zener
DIODOS DE PROTEÇÃO:
Muitas pessoas desconhecem ou simplesmente ignoram a distinção entre as especificações "Máximo absoluto" e as condições operacionais recomendadas.
As classificações máximas absolutas são aquelas que garantem a sobrevivência do dispositivo sem danos. A operação correta não é garantida.
O PIC em questão permite Vdd + 0.3V em seus pinos como uma classificação máxima absoluta. A operação não é garantida durante esta condição.
A maioria das folhas de dados especifica claramente que, durante a operação normal, as tensões de entrada não devem exceder a faixa de terra para Vdd. Esta folha de dados pode ou não ro-lo em várias centenas de páginas. Ainda é errado fazer isso.
Muitas pessoas pensam que as preocupações com as correntes dos diodos de proteção são infundadas. Apenas alguns deles estragaram o dia em que pensaram assim e a maioria provavelmente viveu para lamentar ou não :-).
Observe que a nota de aplicação Atmel (má) aqui usa um resistor de 1 megaohm (conectado à rede elétrica CA!) E a nota do aplicativo Microchip aqui - as figuras 10-1 10-2 têm pelo menos a graça de dizer "... A corrente através os diodos de fixação devem ser mantidos pequenos (na faixa de micro amp). Se a corrente através dos diodos de fixação for muito grande, você corre o risco de a peça travar. " Atmels centenas de uA NÃO são "inh the microamp range".
MAS trancar é o menor dos seus problemas. Se você prender a peça (ação de SCR desencadeada por correntes no substrato do CI), o IC geralmente se transforma em uma ruína de fumar e você percebe que algo pode estar errado.
O problema com as correntes de diodos corporais é quando você NÃO recebe uma ruína imediata do fumo. O que acontece é que o IC nunca foi projetado para aceitar corrente entre o pino de entrada e o substrato - a camada em que o IC é colocado. Quando você eleva Vin> Vdd, a corrente eficientemente flui para fora do ICV propriamente dita, em um mundo de fadas fantasma, do qual o iC desconhece e que o designer não projetou e geralmente não pode projetar. Uma vez lá, você tem pequenas potências configuradas que nunca estão normalmente lá e a corrente pode fluir de volta para os modos de circuito adjacentes, de nós não muito adjacentes ou mesmo para locais a alguma distância, dependendo do tamanho das correntes e das tensões configuradas. A razão pela qual isso é difícil de descrever e definir é porque é totalmente indesejável e essencialmente indesejável. Um efeito é injetar correntes em nós flutuantes que não possuem caminho de saída formal. Eles podem atuar como portões para os TFE - formais ou acidentais, que ativam ou desativam partes semi-aleatórias do seu circuito. Quais partes? Quando? Com que frequência? Quão mais? Quão difícil? A resposta - quem pode dizer / ninguém pode dizer - é indesejável e não designável.
P: Isso realmente acontece? A: Ah sim! P: Eu já vi isso acontecer? A: sim
Comecei o que agora provou ser uma cruzada de mais de uma década para conscientizar as pessoas sobre o assunto (mesmo que eu devesse estar ciente disso) depois de ter sido muito picado por ele.
Eu tinha um circuito serial assíncrono relativamente simples que não me causou nenhum fim. A operação do processador foi intermitente ou semi-aleatória. Código com falha algumas vezes e outras não. Nada estava estável. O problema? Condução do diodo corporal, é claro. Eu havia copiado um circuito simples de uma nota de aplicação fornecida com um produto e fomos embora.
Se você fizer isso sem o devido cuidado, ele o morderá.
Se você fizer isso com cuidado, inteligência e design, pode não mordê-lo. Mas pode.
Isso é semelhante a puxar a linha central para o tráfego contínuo para ultrapassar - feito com cuidado e com pouca frequência e deixando margens que podem ser boas o suficiente para que você geralmente não morra. Se você o fizer, provavelmente não ficará surpreso :-). O mesmo acontece com a condução do diodo corporal. O alcance do microamp da microchips "pode estar OK. O 1 megaohm da Atmel fora da rede elétrica é um acidente esperando para acontecer.
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Basta usar um inversor feito de um único transistor e alguns resistores. Como você está medindo a frequência, não importa se o sinal está invertido ou não - a frequência é a mesma. Você pode usar um "transistor digital" que tenha os resistores internos ou quase todos os transistores comuns e adicionar o resistor de base (mais ou menos 10K) do lado de fora (aquele entre a base e o emissor não é obrigatório, mas você também pode adicioná-lo) . Eu usei este circuito para converter tensão de 25Vtop para 5Vtop para medir a frequência da linha CA.
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A maneira mais fácil é fixar o sinal de entrada em Vcc (+ 5V):
O valor do resistor não é crítico, mas não deve ser muito pequeno; talvez na faixa de 10 a 100 kOhms.
Se você é realmente exigente quanto ao requisito de Vcc + 0.3V, use um diodo Schottky; mas acho que seu µC não será prejudicado se você usar um 1N4148 comum.
EDIT:
Para apoiar minha opinião de que é completamente salvo usar este circuito (em contraste com as preocupações mencionadas nos comentários), consulte as seguintes publicações sobre este tópico; principalmente dos fabricantes de IC:
Microchip:
capítulo 8.pdf , dica nº 10, figuras 10-1 e 10-2
Atmel:
doc2508.pdf , Figura 1
Instrumentos Texas
slya014a.pdf "3.7 Circuitos de proteção externa", Fig. 13
e mesmo para CIs analógicos, a
Analog Devices propõe
Sobretensão EDch 11 e emi.pdf
Máxima
Proteção contra sobretensão (OVP) para aplicações de amplificadores sensíveis
Finalmente, vamos ver o que
Horowitz / Hill "A Arte de Electronis" tem a dizer sobre este tópico:
EDIT2:
Acho que Russel está tão preocupado com o efeito Latch-up, que os CIs modernos são muito mais resistentes, como nos primeiros dias. Talvez isso explique de alguma forma sua "cruzada de mais de uma década".
EDIT3:
A folha de dados do PIC16F1827 ("30.0 ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS") diz que as classificações máximas absolutas para a corrente Ik da braçadeira são 20mA. Essa é a corrente que danificaria o chip. A nota do aplicativo propõe uma corrente na faixa de µA.
EDIT4
Encontrei outra nota de aplicativo da Microchip dedicada exclusivamente à questão "Usando os diodos parasitários ESD em microcontroladores de sinais mistos" .
Diz que sobretensão (mais que Vdd + 0.3V) pode causar problemas se aplicada aos pinos que podem ser usados como entradas analógicas.
... como sugeri desde o início.
O documento também deixa claro que não é verdade que a sobretensão aplicada a uma entrada do controlador Microchip resulte em correntes no substrato (conforme reivindicado nos comentários). Isso só pode acontecer com subtensão (= abaixo de Vss; consulte o parágrafo "Subtensão"), que não é o tópico desta pergunta.
(Essas correntes no substrato não podem ocorrer com sobretensão e subtensão, porque depende do dopagem do substrato. É dopado em p ou em n, e não ambos ao mesmo tempo)
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Basta usar um divisor e um amplificador não inversor alimentado a 5V com ganho de pelo menos 3x.
Então, em 5V, você terá novamente uma saída de 5V, e o mesmo em 15V, porque irá saturar. Talvez seja melhor usar uma solução ferroviário a ferroviário, mas não é completamente necessário se você deseja apenas detectar arestas.
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Você pode considerar algo pronto para uso, como um transceptor ou receptor RS232. A maioria suporta até 25V (já que a especificação RS232 é +/- 25V máx.) E algumas tensões ainda mais altas, além disso, você pode obter isolações 100% para proteger seu circuito de loops de terra e outros problemas elétricos ruins.
Embora o RS232 deva ter +/- tensões, os chips RS232 mais modernos consideram um pouco acima do solo como o limiar para um sinal negativo; portanto, sua entrada deve funcionar com eles. A razão pela qual isso deve funcionar nos chips RS232 é que muitas saídas bastardizadas do RS232 não produzem +/-, mas são sinal positivo ou terra, portanto os modernos chips RS232 devem trabalhar com esses tipos de sinais. Verifique cada folha de dados para o limite.
Os sinais no nível lógico emitidos serão invertidos, mas isso não deve ser motivo de preocupação, porque você está medindo a frequência.
+/- 50V isolado, 3.0V a 5.5V, 250kbps, 2 Tx / 2 Rx, transceptor RS-232: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368
Vários outros chips RS232: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm
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Vocês com problemas especiais com diodos corporais ou diodos de fixação provavelmente não tinham um capacitor grande o suficiente na fonte de alimentação próxima ao IC.
O diodo está desviando a corrente para o suprimento +. Se não houver um capacitor grande o suficiente para absorver isso, isso causará problemas. É apenas o trilho de suprimento sendo aumentado. Porque você está usando um capacitor rediulously pequeno (0.1uF?)
Não tem nada a ver com nenhum mistério dentro do silício.
Apenas certifique-se de ter uma tampa decente (10uF) perto do chip Dependendo da quantidade de corrente que você está colocando nos diodos do corpo.
10mA está bom. É um diodo.
Não uso diodos de proteção externos. Eu uso resistores 2k7. Você pode conectar 12 volts à entrada de uma peça de 5V, sem problemas. Não se preocupe. Tente entender o que realmente está acontecendo antes de começar a falar sobre os hábitos flutuantes e a injeção de correntes na terra das fadas.
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