Разработка автомобильной электронной схемы: делитель напряжения на вывод АЦП uC

Если вы хотите поменять местами уровни выходного сигнала «высокий вход» и «заземленный вход» (другими словами, выход +5 В означает заземленный вход, а выход 0 В означает, что положительный аккумулятор подключен), то это простое маленькое окно компаратор с использованием пары BJT может работать на вас:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

D1 вводит «окно» разности 4,7 В между потенциалами на двух базах, так что, когда на IN появляется потенциал, только один из транзисторов может быть включен в любой момент времени.

Когда входное напряжение превысит 8 В, база Q2 начнет расти, в конечном итоге полностью включившись, подтянув OUT к потенциалу земли. Q1 остается закрытым, потому что его собственный переход база-эмиттер смещен в обратном направлении. Он никогда не может быть сильно смещен в обратном направлении, поскольку потенциал на его базе ограничивается максимумом чуть более 5 В D1 и переходом база-эмиттер транзистора Q2.

R1 и R2 образуют делитель потенциала между входом и +5 В, устанавливая входной потенциал, необходимый для включения Q1, около 3 В. Когда входной сигнал падает ниже этого значения, Q2 включается и поднимает выходной уровень до +5 В.

При входном сигнале между этими двумя порогами ни один из транзисторов не открыт, а потенциал на выходе OUT устанавливается на полпути между питанием 5 В и землей с помощью резисторов R4 и R5.

В случае, когда IN плавающий, ни к чему не подключенный, нет источника тока через R1, который мог бы смещать любой транзистор в проводимость, поэтому при выключенных Q1 и Q2 на выходе будет +2,5 В.

Вот график$V_{OUT}$против.$V_{IN}$:

Схема может выдерживать входные потенциалы более 100 В. Резистор R1 выбран так, чтобы через резисторы R2 и R3 проходил достаточный ток для смещения баз транзистора, но не настолько большой, чтобы он рассеивал более 250 мВт. Вероятно, было бы неплохо заменить R1 парой последовательных резисторов (всего около 50 кОм), чтобы поровну разделить входной потенциал и избежать слишком большого напряжения на одном резисторе.

Я бы сказал, что делителя недостаточно, так как по спецификации вам нужно 5 В, когда батарея подключена. Аккумулятор может работать от 8 В до… номинального 18 В, но в худшем случае вам необходимо обеспечить защиту примерно до 100 В. Есть ISO с необходимыми сигналами «должен выжить». Ваш максимум 32 В, вероятно, относится к состоянию батареи для запуска от внешнего источника, IIRC должен быть не более 60 секунд.

Я бы начал с некоторых подходящих TVS (есть детали, специально предназначенные для условий сброса нагрузки), чтобы зафиксировать их до нормального уровня (обычно около 30 В, проверьте пропускную способность диода). Если вам нужно постоянное напряжение 32 В, для них есть много номиналов. Диод обратной защиты (вы не хотите, чтобы источник был на линии батареи) и, наконец, зажим резистора-стабилитрона до 5 В и подтяжка до 2,5 В для работы с отключенным корпусом. Конденсаторы фильтра еловые по мере необходимости, так как линия батареи - это ад.

Лично я бы буферизовал 2,5 В и выход повторителем напряжения, чтобы лучше изолировать цепь, но это не обязательно. Это также было бы еще одной хорошей возможностью для фильтрации, если это необходимо.

На самом деле есть случай, когда эта схема выйдет из строя: во время холодного пуска (запуск двигателя зимой) линия батареи может (по спецификациям) упасть примерно до 4 В, и это напряжение у вас будет на вашей выходной линии. Это зависит от вашего определения «подключенной батареи» и от того, насколько у вас есть свобода действий в отношении выходных значений.

К сожалению, это работает только при низком заряде батареи из-за тока утечки диода. Это действительно не очень хорошая практика. Вы можете сделать транзисторную хитрость в качестве упражнения, но вам будет трудно добраться до рельсов и получить «резкие» переходы. В 2020 году у нас есть лучшее решение для таких вещей (на самом деле у нас есть специальные микросхемы для контроля заряда батареи!)

На самом деле обнаружение ситуации «отключение кабеля» само по себе затруднено, поскольку любой требуемый компонент защиты или фильтра будет направлять сигнал к одной шине питания (обычно к земле). Та же самая защита TVS для входа с высоким импедансом будет рассматриваться как заземленная линия. Я думаю, что единственный способ сделать это — попытаться пустить из него небольшой ток и посмотреть, уходит ли он на землю. Это можно взять с шины 5 В, поскольку, если она не течет из-за 12 В, ну, у вас есть 12 В, чтобы увидеть на входах. С некоторым умным позиционированием компаратора вы могли бы это сделать.

Однозначно не простой, на мой взгляд. Если есть определенные пороговые значения батареи, обычно это делается следующим образом:

• Предположим, что 2-4В запрещены и будут определяться как отключенные.
• Уменьшите батарею с помощью делителя, чтобы, скажем, 12 В равнялись 5 В на выходе.
• Добавьте подтягивание к некоторому эталонному напряжению, которого не может быть у батареи, чтобы при отключенной батарее напряжение составляло 3 В. Вот где упражнения с сетевым резистором приносят свои плоды!
• Стабилитрон его на 5В (4,7В, собственно, это ближайший стандартный стабилитрон). Будьте осторожны, чтобы иметь достаточный ток стабилитрона, чтобы заставить его работать
• На выходе поместите два компаратора, которые подтягиваются, когда напряжение выше 4 В, и понижают, когда напряжение ниже 2 В.

Это более или менее то, что я бы сделал:

Компараторы должны иметь двухтактные выходы, чтобы работать, это обычная вариация оконного компаратора (возможно, есть его интегрированная версия)

Это, конечно, имеет недостатки по сравнению с исходными характеристиками:

• Существует диапазон напряжения батареи, который определяется как отключенный;
• Выход не 0В и 5В, а около 0,3В и 4,7В (потеря диода); это не идеально, но остается легко обнаруживаемым.