Đầu vào 12 V trên GPIO 3,3 V, TVS kéo xuống hoặc Schottky kéo lên?

Tôi đang xây dựng PLC của riêng mình để chấp nhận đầu vào vĩnh viễn lên đến 30 V DC vào STM32F với đầu vào 3,3 V.

Đầu vào được chuyển đổi sẽ phải hoạt động với 8-30 V, nhưng 90% thời gian điện áp đầu vào sẽ được cố định ở mức 12 V hoặc 24 V. Đầu vào sẽ chỉ là các công tắc như công tắc giới hạn, vì vậy tôi không bận tâm về việc phát hiện đầu vào dưới 8 V hoặc đầu vào từ cảm biến, v.v., tôi cũng không lo lắng về tốc độ vì thực tế các công tắc sẽ di chuyển nhanh nhất là cứ sau 1 giây; Tôi chỉ cần chắc chắn rằng vi điều khiển của tôi được bảo vệ.

Tôi muốn một mạch phổ quát mà tôi có thể sử dụng trong nhiều sản phẩm / dự án cùng loại vì vậy số lượng thành phần, chi phí và không gian PCB phải ở mức tối thiểu để tôi không thực sự muốn sử dụng bộ ghép quang.

Hai kỹ sư điện tử đã khuyến nghị những điều sau đây, nhưng tôi không chắc chắn cách nào là tốt nhất:

Tôi nên sử dụng cái trên cùng hay cái dưới cùng? Bất kỳ tại sao?

Đây thực sự là một vấn đề lâu đời với PLC và gần như không đơn giản như các giải pháp dự định của bạn.

Vấn đề lớn nhất mà bạn gặp phải là cũng có nhiều loại điện áp logic tiềm năng mà bạn cần để có thể xử lý, các mức logic thực tế có thể cao hơn nhiều so với đường ray 3,3V mà bạn đang sử dụng bên trong. Một số cảm biến và thiết bị có ngưỡng logic lên trên 5V. Vì vậy, chỉ cần sử dụng một mạch cắt như bạn đã chỉ ra sẽ không phát hiện mức thấp từ các cảm biến như vậy.

Giai đoạn đầu vào của PLC cần linh hoạt hơn nhiều.

Ngay cả khi mức logic mức thấp có thể chấp nhận được, các mạch này đều gặp phải các vấn đề khác nhau.

Giới hạn Zener / TVS.

Mạch này có lợi ích là, đối với điện áp đầu vào đã biết, zener có thể có kích thước để không bao giờ cho phép điện áp vượt quá điện áp đường sắt. Thông thường bạn sẽ chọn một zener có điện áp ngược nhỏ hơn đường ray, nhưng cao hơn ngưỡng logic mức cao.

Tuy nhiên, zener sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian đảo ngược, vì vậy bạn phải trả tiền phạt dưới dạng thời gian phục hồi ngược khi tín hiệu đầu vào giảm sẽ làm chậm tín hiệu của bạn.

Vấn đề khác với Zener, là điện áp thực tế mà nó sẽ giới hạn ở phụ thuộc vào dòng điện qua nó. Như vậy điện áp sẽ phụ thuộc vào điện áp tín hiệu ở một mức độ nào đó. Do đó, bạn cần thiết kế điện trở cho điện áp đầu vào tối đa và tính toán lại cho các điện áp thấp hơn để xem liệu zener không giới hạn điện áp dưới mức .$V_{IH}$

Diode giới hạn trên đường sắt

Sử dụng diode lên đến đường ray có vấn đề là điện áp đầu ra vẫn sẽ vượt quá Vcc tất cả chỉ là một chút. Tuy nhiên, điều đó vẫn có thể gây bất lợi cho đầu vào. Hơn nữa, trong trường hợp này, thời gian phục hồi ngược có nghĩa là, đối với các cạnh đầu vào nhanh, điện áp cao sẽ làm cho nó đi qua rất nhanh.

Vì thế

Vì cả hai mạch này đều có điện trở cao ở đầu vào, cả hai đều yêu cầu bất cứ điều gì đang khiến đầu vào có trở kháng đầu ra thấp. Trong số hai, phiên bản zener cung cấp bảo vệ tốt hơn nhưng với chi phí hiệu suất. Không ai trong số họ sẽ hoạt động nếu của cảm biến được đính kèm> 1,5V trở lên.$V_{OL}$

Lựa chọn thay thế

Khớp nối quang.

Một phương pháp phổ biến được sử dụng bởi các PLC là sử dụng các bộ ghép quang.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Phương pháp này cung cấp cho bạn lợi ích gia tăng của sự cô lập và tách mặt đất. Vấn đề với nó là bạn cần một số dạng điều hòa tín hiệu giữa cảm biến và đầu vào để đảm bảo đèn LED sáng đúng ngưỡng và lượng dòng điện chính xác được đưa qua đèn LED. Điều hòa đó có thể là điện trở đơn giản được hiển thị ở trên, hoặc một mạch phức tạp bao gồm một bộ so sánh nào đó.

Tốc độ của bộ ghép quang cũng là một yếu tố hạn chế. Tuy nhiên, phương pháp này thường được sử dụng vì nó mang lại cho bạn sự linh hoạt hoàn toàn.

Điều hòa đầu vào tương tự

Một phương pháp khác là chấp nhận tín hiệu ở dạng tương tự, so sánh nó với một tham chiếu biến đổi với độ trễ và tạo mức logic theo cách đó.

^{mô phỏng mạch này}

Rõ ràng các thành phần, bao gồm cả bộ so sánh, cần được chọn để phù hợp với điện áp đầu vào tối đa. Mạch hiển thị khá đơn giản, nó có thể phức tạp hơn nhiều với các bộ lọc, bộ điều chỉnh, bảo vệ ESD, v.v.

Sự phối hợp

Vì lý do cách ly, bạn có thể kết hợp các yếu tố trên và có công suất so sánh với trình điều khiển dòng không đổi với đèn LED của bộ ghép quang.

Nếu tôi đang phát triển một sản phẩm, tôi sẽ lắp ráp tất cả những thứ đó trên một mô-đun bổ trợ nhỏ có thể cắm vào ổ cắm cạnh thẻ trên bảng "mẹ", giống như chúng sử dụng cho thẻ trong PC. Bằng cách đó bạn có thể dễ dàng thay thế chúng nên được chiên. Phương pháp đó cũng cho phép bạn cung cấp các loại đầu vào khác, ví dụ: đầu vào cáp quang.

100k là quá cao. Nó sẽ kích hoạt từ hầu hết mọi hoạt động chuyển tiếp hoặc chuyển đổi gần đó. Không thực sự đáng tin cậy cho một PLC nếu bạn hỏi tôi.

Thực sự có các tiêu chuẩn và quy định cho PLC . Vì bạn muốn tất cả các nhà cung cấp PLC có hành vi tương tự trong cài đặt, và thật tuyệt nếu nhiều mô hình khác nhau có thể được kết nối với nhau mà không gặp sự cố.

Ví dụ: đầu vào chỉ xem nó là bật khi nó chìm ít nhất ~ 2 mA và trên 10V. (IEC 61131-2)

Bạn không thể có được điều này một cách chính xác với các thụ động, đó là lý do tại sao có những phần như SN65HVS880.

Trong câu trả lời trước của tôi, tôi đã đưa ra một ví dụ sơ đồ về cách bạn có thể cố gắng tiếp cận hành vi này với các thụ động *.

100K đơn giản và BAT54S sẽ không đáng tin cậy, tôi có thể nói với bạn điều đó từ kinh nghiệm.

câu trả lời trước

* kích hoạt schmitt riêng biệt không cần thiết

Cả hai đều được chấp nhận. Bạn sẽ cần đảm bảo điện trở có kích thước chính xác để dòng điện đầu vào không làm cho điện áp đầu vào giảm xuống dưới V_IH, nhưng với CMOS thì điều này là không đáng kể vì dòng điện đầu vào quá nhỏ (100k gần như chắc chắn là ổn)

Với lời cảnh báo thứ hai duy nhất là bạn sẽ cần chắc chắn rằng tổng tải trên 3.3v không bao giờ dưới 30V / 100k (gấp nhiều lần số đầu vào bạn có), nếu không thì đường ray 3,3 V có thể được kéo lên đến một điện áp có thể làm hỏng các thiết bị trên nó. Nếu bạn đặt micro vào chế độ ngủ, nó có thể thu hút rất ít.

Một cảnh báo khác là trong cả hai trường hợp, điện trở 100k hoạt động với điện dung đầu vào là bộ lọc thông thấp, làm chậm các đầu vào. Nếu có điện dung đầu vào 10pF, chúng sẽ có tốc độ chuyển đổi tối đa khoảng 100kHz và độ trễ khoảng 2 micro giây.