Frage:
Kann ich eine Zenerdiode verwenden, um 14 V in 5 V in einem Kleinstromkreis umzuwandeln?
Violet Giraffe
2015-12-01 21:40:01 UTC
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Ich arbeite an einem Mikrocontroller-basierten Gerät und benötige es, um eine Eingangsspannung zu erkennen (zwischen Null und Nicht-Null unterscheiden). Wenn es nicht Null ist, kann es zwischen 10 V DC und 14,6 V liegen, mit etwas zusätzlichem Rauschen verschiedener Frequenzen. Wenn es Null ist, ist es entweder GND oder Floating, ich bin mir noch nicht sicher.

Kann ich eine 5-V-Zenerdiode verwenden, um diese Spannung zu stabilisieren und an den Eingang der 5-V-toleranten MCU anzuschließen? Der verbrauchte Strom wird so hoch sein, wie es die MCU benötigt. Ich erwarte, dass er im Bereich von 1-3 mA liegt (aber ich sollte wahrscheinlich sehen, ob ich Eingangsstrom im Datenblatt der MCU finden kann, was ich bisher nur konnte Ich bin mir sicher, dass es da ist.

Es wird wahrscheinlich funktionieren.Sie möchten einen Widerstand in Reihe mit dem Zener, um den Strom zu begrenzen.Sie müssen sicherstellen, dass alles bei minimaler und maximaler Spannung und minimalem und maximalem Strom funktioniert.Überprüfen Sie die Verlustleistung im Widerstand, um sicherzustellen, dass dies angemessen ist.Möglicherweise ist die Verwendung eines 5-V-LDO einfacher.
... und wenn es Null ist, wie groß ist der Spannungsbereich?
Ich fordere Sie dringend auf, einen Spannungsregler wie LM1117 zu verwenden, der zuverlässiger ist und weniger wahrscheinlich ist, dass etwas schief geht.
Nein, dies ist keine Anwendung für einen IC-Spannungsregler.Es ist eine Signalanwendung, keine Leistungsanwendung.Es wäre jedoch gut, einen Zener etwas unterhalb der Versorgungsspannung der MCU auszuwählen, und man sollte erkennen, dass der größte Teil des Stroms durch die Diode und nicht durch die MCU fließt.Sie berechnen den Strom aus dem Spannungsabfall * über * dem Zener und dem Widerstand.Stellen Sie sicher, dass der Zener ausreicht, um sich als solcher zu verhalten.
@ChrisStratton, Soweit ich sehen kann, ist die Verwendung eines Reglers als Detektor grundsätzlich nichts Falsches.Ich glaube, Sie geben eher ein ästhetisches als ein technisches Urteil ab.
Es gibt einen Punkt, der geklärt werden muss.Versorgen Sie die MCU über diese 5-V-Schiene mit Strom?Oder geht die 5V nur an einen Logikeingangspin der MCU?Wenn es sich nur um einen Logikeingang handelt, beträgt der Strom viel weniger als 1 mA.Gibt es auch einen Fall, in dem 10-14,6 V vorhanden sein können, wenn die MCU-Stromversorgung nicht vorhanden ist?Dies könnte ein Problem für die MCU verursachen.Wenn Sie uns etwas mehr darüber erzählen könnten, was Sie tun und warum, kann meiner Meinung nach eine einfache Lösung vorgeschlagen werden.
Ein Zener könnte funktionieren, abhängig vom Strom, der von der 14-Volt-Quelle verfügbar ist, aber ein kleiner Shunt-Regler würde sicherlich funktionieren, wenn Ihre Eingangsflankenraten nicht zu hoch sind.Alternativ würde auch ein schneller Spannungskomparator, der als Pegelwandler verwendet wird, bewundernswert funktionieren.
Ein 78L05 würde ohne zusätzliche Komponenten funktionieren - schließen Sie ihn einfach direkt an den Eingang an.Wenn das Signal (jemals, sogar vorübergehend) vorhanden sein könnte, wenn das Mikro nicht mit Strom versorgt wird, fügen Sie einen Widerstand wie 10K in Reihe hinzu.Es gibt keinen Grund, ein LDO zu verwenden, und dies wäre kontraproduktiv, da ein LDO normalerweise einen Ausgangskondensator für die Stabilität benötigt und dies die Reaktion verlangsamen würde.
@mkeith: 1. Wenn es Null ist, ist es entweder GND oder Floating, ich bin mir nicht sicher, welche. 2. Die MCU wird von einem kleinen lokalen 3,3-V-Spannungsregler gespeist, der wiederum über einen 5-V-Regler gespeist wird.Der Boden ist gemeinsam.Der Grund, warum ich den Eingang auf 5 und nicht auf 3,3 V umwandeln wollte, ist, dass die MCU 5 V-tolerante Eingänge hat, und ich dachte, dass sie aufgrund des größeren Spannungsbereichs der logischen '1' robuster wäre.Ist das sinnvoll? 3. Es ist durchaus möglich, dass die MCU nicht mit Strom versorgt wird, wenn der Eingang vorhanden ist.Wie ist das ein Problem?
Wie wäre es mit einer Widerstandsteilerkette? .. 15 V-> 5 und 10 -> 3.3.Oder ist der 14.6 eine Autobatterie?Diese können einige Stacheln haben (ich höre) und vielleicht Ihren Zener, oder Spehros 78L05-Idee wäre besser.
@GeorgeHerold, ist in der Tat das Stromnetz eines Autos.Es kann also zwischen 10 V liegen, wenn der Anlasser anspringt, und 14,6 V, möglicherweise sogar 15 V, wenn der Motor eingeschaltet ist.
Sechs antworten:
ed-wright
2015-12-02 00:39:20 UTC
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Ich würde persönlich einen 5-V-LDO-Regler verwenden, aber auf OP-Wunsch ist die Verwendung einer Zenerdiode möglich. In meinem Beispiel habe ich eine 1N751-5,1-V-Zenerdiode verwendet. Wie @mkeith sagte, müssen Sie den Strom begrenzen.

Der maximale Strom wird als Verlustleistung / Spannung berechnet. In unserem Fall beträgt er maximal 500 mW / 5 V, was einem maximalen Strom von 100 mA entspricht. Das Datenblatt gibt jedoch auch an, dass der maximale Strom 70 mA beträgt. Wir werden uns also daran halten.

Rs = (Vs - Vz) / Il = (14,6 V - 5,1 V) / 70 mA = 135 Ohm Die E12-Serie ergibt 150 Ohm

Unter der Annahme einer Last von 1 KI = Vz / Rl = 5,1 V / 1 k = 5,1 mA

Maximaler ZenerstromIz = Is - Il = 70 mA - 5,1 mA = 64,9 mA

Circuit

R1 ist RsR2 ist die Last

Ein MCU-Eingangspin hat wahrscheinlich eine Gleichstromimpedanz von viel mehr als Kiloohm.Das einzige Mal, wenn Sie eine erhebliche Last sehen, sollte das Schalten beim Laden der Kapazität sein.Sie möchten wahrscheinlich einen weitaus größeren Quellwiderstand.
Trotzdem liefert ein 1M RL eine Last von 5,1 uA und riskiert daher immer noch nicht, den maximalen Strom von 70 mA zu durchbrechen
Das Maximum ist nicht das Problem, aber Ihr Ruhestrom ist ein Mehrfaches dessen, was er sein muss.
WhatRoughBeast
2015-12-02 00:40:27 UTC
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Da Sie den MCU-Eingang als "5 Volt tolerant" beschreiben, deutet dies darauf hin, dass die MCU mit einer niedrigeren Versorgungsspannung arbeitet, wahrscheinlich 3,3 Volt. In diesem Fall simuliert

schematic

diese Schaltung - Schema, das mit CircuitLab sup> erstellt wurde wird funktionieren. Wenn die Quelle 10 Volt beträgt, beträgt der GPIO-Pin 3,3, und bei größeren Spannungen klemmt die Diode den Pin auf nicht mehr als 4 Volt mit einer Stromaufnahme von weniger als 1 mA. Dies setzt natürlich voraus, dass Ihre niedrige Quellenspannung niedrig genug ist, um nach dem Teilen durch 3 zuverlässig als Null erkannt zu werden.

Vielen Dank.Ja, die MCU ist 3,3V.`1N4148` ist jedoch keine Zenerdiode, oder?Können Sie bitte erklären, wie diese Schaltung funktioniert?Eigentlich bin ich schrecklich in der Elektronik und alles, was ich sehen kann, ist ein 1: 3-Spannungsteiler und eine mysteriöse einfache Diode.Außerdem habe ich möglicherweise keinen Zugriff auf die 3,3-V-Versorgung der MCU, sondern nur auf die 5-V-Versorgung, die den lokalen 3,3-V-Regler der MCU versorgt.
P. S. Welche Software verwenden Sie zum Zeichnen der Schaltpläne, wenn ich fragen darf?
@VioletGiraffe Das Programm heißt CircuitLab und ist Teil dieser Site.Um darauf zuzugreifen, während Sie eine Antwort verfassen oder bearbeiten, können Sie auf das kleine Symbol mit der Diode oben klicken - etwas schwer zu erkennen, es ist das am weitesten rechts in der Gruppe von fünf Symbolen mit dem {} als Mitteeiner.Es ist auch als [eigenständiges Produkt] erhältlich (https://www.circuitlab.com/).
Das ist ziemlich gut.Verwenden Sie möglicherweise einen Schottky, um sicherzustellen, dass interne Schutzdioden nicht leiten.Außerdem wird immer noch eine kleine Strommenge in die 3,3-V-Schiene geleitet, was nicht wirklich wünschenswert ist.
@VioletGiraffe - Es wirkt als Division durch 3, bis die geteilte Spannung über 3,3 etwa 0,6 Volt beträgt.Dann schaltet sich die Diode ein und klemmt den Ausgang auf ~ 3,9 bis 4,0.Tatsächlich liefert die Quelle ein wenig Strom, um die MCU mit Strom zu versorgen, während das Netzteil nicht ganz so hart arbeiten muss.Ich habe speziell 20.000 angegeben, um den Strom niedrig zu halten.
@mkeith - Fair genug, nehme ich an, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass ein 5-Volt-toleranter Eingang mit einer normalen Diode in Ordnung sein sollte, insbesondere mit dem großen (20k) Widerstand.
@WhatRoughBeast, das ist sehr wahr.Da es 5 V tolerant ist, muss seine Schutzstruktur anders sein als ich annehme.Es ist nicht nur eine Diode für VCC, sonst wäre es nicht 5V tolerant.
mkeith
2015-12-02 02:18:08 UTC
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Ich denke, das Beste wäre, NMOS mit einem an 14 V angeschlossenen Gate zu verwenden. Der Drain wird an 3,3 V angeschlossen (derselbe, der die E / A für Ihren Mikroprozessor mit Strom versorgt), und die Quelle an Ihren E / A-Pin.

schematic

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Wenn bei der Zener-Schaltung 14 V vorhanden sind, wenn Ihre Mikroleistung nicht vorhanden ist, Strom fließt über die Klemmdiode in Ihrem Mikroprozessor-E / A-Pin in den Mikroprozessor. Selbst wenn der Strom begrenzt ist, kann dies zu einem teilweisen oder vollständigen Einschalten Ihres Mikroprozessors führen. Vermeiden Sie diese Situation am besten.

Dieser Stromkreis wird nur eingeschaltet, wenn VIN_14V deutlich über 3,3 V liegt. Wenn es eingeschaltet ist, muss lediglich der 3,3-V-VCC an den E / A-Pin angeschlossen werden. Wenn also keine 3,3 V vorhanden sind, liegt kein Schaden vor und es fließt kein Strom in den E / A-Pin.

Möglicherweise möchten Sie dem Gate einen Vorwiderstand hinzufügen, um ein Klingeln zu verhindern.

Der 100k-Widerstand (R1) soll nur sicherstellen, dass der Knoten nicht hoch schwebt, nachdem 14V weg sind. 1M kann ausreichen, wenn Sie den Schlafstrom reduzieren möchten.

Hinweis: Ich gehe davon aus, dass VIN_14V so stark belastet ist, dass es schnell unter VCC_3.3V abfällt. Wenn nicht, möchten Sie möglicherweise einen Widerstand von VIN_14V zu GND hinzufügen, um einen Pfad für den Zerfall bereitzustellen.

Sehr gepflegt!Kann ich davon ausgehen, dass der BSS138-FET derjenige ist, den Sie für diese Schaltung empfehlen können?Funktioniert eigentlich fast jeder MOSFET mit induziertem Kanal?Verstehe ich richtig, dass der MOSFET eine beliebige Polarität haben kann (n-p-n oder p-n-p)?Möglicherweise muss ich ein anderes Gerät auswählen, da die Auswahl im lokalen Shop begrenzt ist.
Ich glaube, das BSS138 wird funktionieren.Wahrscheinlich wird der begrenzende Faktor die Gate / Source-Durchbruchspannung sein.Viele kleinere FETs haben eine 12- oder sogar 8-V-Grenze für Vgs.Der BSS138 ist ein sehr alter FET, der seit meiner Zeit als Ingenieur in Produktion ist.Damals, als die Spannungen höher waren und die CMOS-Logik bei 10 V betrieben wurde.
Es ist zu beachten, dass die Polarität im MOSFET mit den Begriffen "N-Kanal" und "P-Kanal" bezeichnet wird.Der N-Kanal ist analog zu NPN und der P-Kanal ist analog zu PNP.Sie möchten einen N-Kanal (manchmal auch NMOS genannt).
Richtig, ich habe die Terminologie vergessen, danke für die Korrektur.Warum ist die Polarität in dieser Anwendung wichtig?
PMOS wird eingeschaltet, wenn die Gate-Spannung niedriger als die Source ist.Sie benötigen einen Transistor, der sich einschaltet, wenn das Gate höher als die Source ist.Eine Art von Brute-Force-Sichtweise ist folgende: Wenn das Gate eines PMOS mit der höchsten auf der Platine vorhandenen Spannung verbunden ist, wird es niemals eingeschaltet.
Transistor
2015-12-02 02:57:09 UTC
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Optokoppler! Dies hat den optionalen Vorteil, dass Sie Ihr verrauschtes Signal vollständig von Ihrem Mikro isolieren und der Transistorausgang stark ein- und ausgeschaltet werden kann.

Wenn Sie ihn jemals überspannen, verlieren Sie nur den Optokoppler.

schematic

simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>

Beachten Sie, dass bei dieser Schaltung der Eingangspin beim Einschalten der LED nach unten zieht. Wenn dies ein Problem ist, legen Sie den Transistor auf die hohe Seite und R2 zieht nach unten auf Masse.

Ich hatte darüber nachgedacht, aber wie gehen Sie damit um, dass die LED einen ziemlich engen Bereich akzeptablen Eingangsstroms hat?
@VioletGiraffe - Betrachten Sie so etwas wie eine [Stromreglerdiode] (http://www.mouser.com/ProductDetail/Semitec/E-352/?qs=sGAEpiMZZMtQ8nqTKtFS%2fG7SPLwmKeGy7MokZFFD704%d)] (http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/AN-D66.pdf)
@VioletGiraffe: Sie sollten in der Lage sein, einen zu erhalten, der über ein Verhältnis von mindestens 2: 1 funktioniert, und einen R1-Wert wählen, der 5 bis 10 mA ergibt.Durchsuchen Sie die Datenblätter.
Mert Gülsoy
2015-12-01 23:54:21 UTC
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Solange Sie das Datenblatt von Zener befolgen, ist dies möglich. Sie sollten jedoch die hohen und niedrigen Spannungen des mcu berücksichtigen. Zum Beispiel akzeptieren einige 5 V mcus Spannungen über 3,8 V so hoch und unter 0,8 V so niedrig. Zwischen diesen befinden sich unscharfe Zonen. Welches mcu kann instabil wirken. Vielleicht können Sie einen zusätzlichen n-Kanal-Fet mit Logikpegel-Gate hinzufügen und einen Zener mit niedrigerer Spannung gemäß Vgs verwenden. Führen Sie den Widerstand-Zener-Ausgang zum Gate und verbinden Sie den Drain mit einem Pullup-Widerstand mit der MCU.

Aydin
2015-12-02 00:39:31 UTC
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Warum nicht einfach einen Spannungsteiler verwenden? Wenn Sie einen Wert zwischen 10 V und 14,6 V erwarten, diesen jedoch verkleinern möchten, fügen Sie einen 10K -Widerstand und einen 4,7K -Widerstand in Reihe hinzu.

  14.6V + ---- [10K] --- [4.7K] --- GND | MCU  

Die Rauschprobleme können behoben werden, indem ein Kondensator über den 4K7-Widerstand gelegt wird. Ein Zener kann auch über den 4K7-Widerstand geschaltet werden, um den MCU-Eingang vor Überspannungen zu schützen.

Ich würde definitiv diesen Weg gehen, wenn der Eingang stabiler wäre, aber so wie es ist, bin ich besorgt darüber, dass der Ausgang des Teilers nicht in die logische '1'-Zone der MCU passt.
Es wird.Die logische "1" -Zone einer MCU ist alles, was kein Nullwert ist.Wenn Sie den Eingang "schwebend" lassen, stört das Rauschen und Sie erhalten eine Reihe von zufälligen "1" und "0".Das Widerstandsnetzwerk zieht es auf Masse, so dass es 0 bleibt, es sei denn, ein Signal kommt durch.
Sie sind nicht ganz richtig, da die logische "1" irgendwo um 2 V oder sogar 2+ beginnt.Bis zu 0,8 oder so ist logisch "0", und dann gibt es die undefinierte "graue" Zone.Aber ja, Floating Input ist ein Problem und ich brauche mindestens einen Pulldown-Widerstand, um es anzugehen.
Hmm, ich finde das extrem seltsam. Würde es Ihnen etwas ausmachen, mitzuteilen, welchen Mikrocontroller Sie verwenden?
Es gilt für jede logische Schaltung, von der alten TTL bis zum modernen CMOS!Ich bin wirklich überrascht, dass jemand es nicht wissen würde.
Aus dem Datenblatt meiner STM32-MCU: Niedrige Eingangsspannung, MAX: 0,475 VDD - 0,2; Hochpegelige Eingangsspannung, MIN: 0,5 VDD + 0,2.Alles dazwischen ist undefiniert.Ohne diese Lücke könnten logische Schaltkreise nicht zuverlässig funktionieren.Wie stellen Sie sich vor, dass Interferenzen von Trace-Leads erfasst werden und 0 V in Nicht-0 und damit - logische 0 in logische 1 verwandeln?
Wow, ich komme von der Softwareseite des Geschäfts (StackOverflow ist dort, wo ich normalerweise hingehöre) ... wo 0 0 ist, bin ich im Moment total überwältigt ,: |!Ich kann mir auch vorstellen, dass Sie bereits über die Verwendung von ADC-Eingängen nachgedacht haben.Sie erhalten mehr Optionen zum manuellen Filtern von Werten, die Sie als "1" eingestuft haben
Eigentlich komme ich auch von dieser Seite :) Deshalb ist mein Verständnis von Elektronik so schlecht und ich bevorzuge Softwarelösungen gegenüber Hardware.Und nein, ich habe den ADC tatsächlich vergessen.Hmm ...
Der STM32 hat eine anständige Auflösung auf dem ADC.Obwohl Vorsicht geboten ist, bin ich vor einer Minute auf diesen Thread gestoßen und es ist die Rede davon, dass die Obergrenze 4 V beträgt ... https://my.st.com/public/STe2ecommunities/mcu/Lists/cortex_mx_stm32/Flat.aspx?RootFolder]
@AydinAdn * irgendetwas *, das nicht Null ist, ist eine 1?Was ist mit 0,00000000000000000000001 Volt, die durch Induktion durch die neuronalen Impulse des Benutzers verursacht werden?
@immibis Ich bin mir nicht sicher, ob du versuchst, ein kluger Arsch zu sein, aber der Witz liegt bei dir.Ein digitales Signal kann entweder eine 0 oder eine 1 sein, wahr oder falsch, HOCH oder NIEDRIG ... und das schließt CS101.
@AydinAdn Oh, ich dachte, Sie meinten, etwas anderes als null Volt sei eine 1 ... das wäre noch seltsamer gewesen als das, was Sie tatsächlich gemeint haben.
@immibis lol, ich dachte tatsächlich, dass jedes Spannungssignal, das unter der ADC-Auflösung liegt, als 0 gelesen wird. Der STM32 hat eine Auflösung von 12 Bit, daher war meine Argumentation, dass die erforderliche Mindestspannung 3,3 V / 4096 betragen würde.Der Eingang wird normalerweise auf Masse gezogen, wodurch jegliches Rauschen vermieden wird.


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