Perché un diodo Zener in una configurazione a piede di porco fa cadere la tensione di ingresso?

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Sto cercando di collegare un diodo Zener per aggiungere una certa misura di protezione ("piede di porco" fuso) a un circuito che include un sensore di ossigeno alimentato da circuito con uscita letta da un ADC / Analog Analog GHI Cobra. L'idea è che se ci fosse un cortocircuito nel sensore che causava 12V sulla sua uscita, lo Zener con una rottura di 4,7 V tra l'uscita del sensore (e l'ingresso ADC) e la terra avrebbe tenuto la corrente a 12V lontana dall'ADC abbastanza a lungo per il fusibile per bruciare poiché il limite sul pin Cobra è 5V.

Tuttavia, trovo che quando inserisco il diodo Zener, la tensione viene letta dall'ADC (voltmetro in questo momento), ad esempio da 4,38 volt a 3,98 volt. Quando sostituisco lo Zener con un diodo normale solo per testare, la tensione non scende. Cosa dà? È possibile utilizzare uno Zener come "piede di porco" in modo che non cambi la tensione sul lato di uscita del sensore? Lo Zener è installato con l'anello verso il lato ADC. Il negozio di elettronica ha detto che ha un guasto a 4,7 V, ma non sono sicuro di come testarlo.

zener

— opaco
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I diodi regolari di solito non mostrano una ripartizione Zener così buona come i diodi Zener (ecco perché hanno diodi Zener speciali), quindi è normale che un diodo normale non faccia nulla. I diodi Zener possono perdere una piccola quantità di corrente e influire in tal modo sulla misurazione. Che tipo di attrezzatura di prova hai a disposizione? È possibile ottenere un diodo di soppressione della tensione transitoria (diodo TVS)? Dovrebbero avere una corrente di dispersione inferiore rispetto a un diodo Zener.

— AndrejaKo

Difficile trovare un diodo TVS in questo momento (su una piccola isola). La caduta di tensione è del 10% - sembra alta per perdite. Nessuna perdita misurabile con il diodo normale.

— Matt,

Questo non è un piede di porco, è un morsetto. Un piede di porco riduce l'input in condizioni di sovratensione; un morsetto lo limita semplicemente alla tensione specificata.

— marzo

Risposte:

La tensione inversa di un diodo zener non mostra un ginocchio acuto con corrente crescente, quindi lo zener condurrà diversi milliampere a tensioni ben al di sotto della sua tensione nominale. In questo caso non è necessario un fusibile, supponendo che l'impedenza di ingresso del microcontrollore sia elevata. A proposito, che cos'è un "GHI Cobra"?

Suggerisco di sostituire il fusibile con un resistore da 4,7k e di utilizzare uno zener da 5,1 V o 5,6 V. Sarebbe meglio se si potesse ridurre la normale gamma operativa dell'ingresso ADC in modo che la massima tensione prevista sia di circa 4 V ... forse cambiando la resistenza da 250 ohm a 200 ohm. Quindi il ginocchio morbido dello zener non influenzerà le tue misurazioni e stai dando allo zener un po 'di spazio per iniziare a condurre.

— Joe Hass
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GHI Cobra è un microcontrollore (pensa Arduino) solo con clock più veloce e 10 volte la RAM. I controller GHI e Netduino sono basati su .NET e utilizzano MS Visual Studio per lo sviluppo. Un piccolo elenco nel loro sito: goo.gl/xDU7m5

— Chris K

Se lo zener perde "diversi milliampere", allora, sì, questo sarebbe sicuramente il problema. Sono sorpreso che ci sia una tale perdita. Non capisco come sostituire il fusibile con un resistore da 4,7k. Se mi attengo al diagramma, allora l'ADC non rileggerebbe la tensione, giusto?

— Matt,

In realtà, probabilmente userei un resistore da 165 ohm per far cadere la tensione massima a 3,3 V, il limite dell'ADC Cobra (Cobra II, in realtà). Sarebbe sicuro anche se ho intenzione di mantenere la concentrazione di ossigeno a cui il sensore sarebbe esposto al di sotto del 5%, quindi il sensore produrrebbe una bassa corrente anche con un grande resistore.

— Matt,

Quindi, se la perdita è causata da un ginocchio non acuto alla tensione di rottura, allora la perdita potrebbe essere insignificante quando l'uscita del sensore è bassa, che è dove funzionerà nel mio caso. Ad esempio, se la concentrazione di ossigeno viene mantenuta al di sotto del 5%, l'uscita del sensore sarà (approssimativamente) inferiore a 7 mA. Hmm. Testerà il grado di precisione con e senza zener a tale concentrazione / uscita del sensore.

— Matt

Per quanto riguarda il fusibile: lo zener specificato è un dispositivo da 1 W, quindi la sua corrente massima è di circa 200 mA. È difficile trovare un fusibile economico e molto veloce che si bruci a questo livello attuale. Lo scenario più probabile è che lo zener verrà distrutto e l'ingresso ADC sarà sottoposto all'uscita 12V completa del sensore. L'uso di un resistore (diciamo 4.7k) limita la corrente che passerà attraverso lo zener in modo da non distruggerlo. Sì, l'obiettivo è che il normale funzionamento sia a una tensione in cui la perdita di zener è trascurabile.

— Joe Hass,

Anche se sembra che non ci sia sovratensione sul pin ADC secondo la legge di Ohm, ma quale caso dobbiamo evitare?

Il diodo TVS è una buona scelta. ogni MCU ha una tensione di alimentazione massima, la migliore tensione attiva è inferiore alla tensione massima e superiore alla tensione di lavoro. ma se consideriamo la polarità della sovratensione, due serie di diodi TVS nella direzione opposta.

Esiste un altro metodo per eseguire questa operazione, è possibile utilizzare due diodi per proteggere la porta ADC, ad esempio 1N4148. un diodo si collega tra VCC e pin ADC, un altro pin ADC e GND. è preferibile utilizzare una resistenza collegata tra il pin ADC e la giunzione dei due diodi. in realtà, questo è un metodo comune per proteggere la porta all'interno della MCU, è un miglioramento di estensibilità.

Se è accettabile, utilizzare l'isolamento dell'accoppiatore ottico è la scelta migliore. ma è molto complesso.

— DreamCat
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Grazie, DreamCat. In realtà, usando un diodo regolare tra VCC e l'uscita del sensore è il mio schema di protezione predefinito, stavo cercando di capire come avrei potuto usare un diodo zener e se ci fossero dei vantaggi. Non avevo pensato di tentare di proteggere per una polarità inversa. Non capisci cosa intendi con "è meglio usare una resistenza connessa tra il pin ADC e la giunzione dei due diodi". Un diodo TVS (nuovo per me) sembra l'ideale.

— Matt