Warum senkt eine Zenerdiode in einer Brechstangenkonfiguration die Eingangsspannung?

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Ich versuche, eine Zenerdiode anzuschließen, um einem Stromkreis, der einen schleifengespeisten Sauerstoffsensor mit einem von einem GHI Cobra ADC / Analog In gelesenen Ausgang enthält, ein gewisses Maß an Schutz (abgesicherte "Brechstange") hinzuzufügen. Die Idee ist, dass bei einem Kurzschluss im Sensor, der 12 V am Ausgang verursacht, der Zener mit 4,7 V Durchschlag zwischen dem Sensorausgang (und dem ADC-Eingang) und Masse den 12 V-Strom lange genug vom ADC fernhalten würde Sicherung durchbrennen, da der Grenzwert für den Cobra-Stift 5 V beträgt.

Ich stelle jedoch fest, dass beim Einsetzen der Zenerdiode die vom ADC (derzeit Voltmeter) gelesene Spannung von 4,38 Volt auf 3,98 Volt abfällt. Wenn ich den Zener zum Testen durch eine normale Diode ersetze, fällt die Spannung nicht ab. Was gibt? Kann ein Zener für eine "Brechstange" verwendet werden, damit sich die Spannung auf der Sensorausgangsseite nicht ändert? Der Zener wird mit dem Ring zur ADC-Seite installiert. Der Elektronikladen sagte, es habe eine 4,7-V-Panne, aber ich bin mir nicht sicher, wie ich das testen soll.

zener

— Matt
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Normale Dioden weisen normalerweise keine so gute Zener-Aufteilung auf wie Zener-Dioden (deshalb gibt es spezielle Zener-Dioden). Daher ist es normal, dass eine reguläre Diode nichts tut. Zenerdioden können eine geringe Strommenge verlieren und auf diese Weise die Messung beeinflussen. Welche Art von Testausrüstung haben Sie zur Verfügung? Können Sie eine transiente Spannungsunterdrückungsdiode (TVS-Diode) erhalten? Sie sollten einen geringeren Leckstrom haben als eine Zenerdiode.

— AndrejaKo

Es ist derzeit ziemlich schwierig, eine TVS-Diode zu bekommen (auf einer kleinen Insel). Der Spannungsabfall beträgt 10% - scheint hoch für Leckagen zu sein. Keine messbare Leckage mit der regulären Diode.

— Matt

Das ist keine Brechstange, es ist eine Klammer. Eine Brechstange schließt den Eingang bei Überspannungsbedingungen kurz. Eine Klemme begrenzt sie lediglich auf die angegebene Spannung.

— Marcelm

Antworten:

Die Sperrspannung einer Zenerdiode zeigt mit zunehmendem Strom kein scharfes Knie, so dass der Zener mehrere Milliampere bei Spannungen leitet, die weit unter seiner Nennspannung liegen. In diesem Fall ist keine Sicherung erforderlich, vorausgesetzt, die Eingangsimpedanz Ihres Mikrocontrollers ist hoch. Was ist übrigens eine "GHI Cobra"?

Ich empfehle, die Sicherung durch einen 4,7-k-Widerstand zu ersetzen und einen 5,1-V- oder 5,6-V-Zener zu verwenden. Es ist am besten, wenn Sie den normalen Betriebsbereich des ADC-Eingangs so reduzieren, dass die maximal zu erwartende Spannung bei 4 V liegt ... möglicherweise durch Ändern des 250-Ohm-Widerstands auf 200 Ohm. Dann hat das weiche Knie des Zener keinen Einfluss auf Ihre Messungen und Sie geben dem Zener ein wenig Raum, um mit dem Dirigieren zu beginnen.

— Joe Hass
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GHI Cobra ist ein Mikrocontroller (denken Sie an Arduino) nur mit schnellerem Takt und 10x RAM. Die GHI- und Netduino-Controller sind .NET-basiert und verwenden MS Visual Studio zum Entwickeln. Eine kleine Liste auf ihrer Site: goo.gl/xDU7m5

— Chris K

Wenn der Zener "mehrere Milliampere" leckt, dann wäre das sicherlich das Problem. Ich bin überrascht, dass es so eine Leckage gibt. Ich verstehe nicht, die Sicherung durch einen 4,7-k-Widerstand zu ersetzen. Wenn ich mit dem Diagramm bleibe, würde der ADC die Spannung nicht richtig lesen, richtig?

— Matt

Eigentlich würde ich wahrscheinlich einen 165 Ohm Widerstand verwenden, um die maximale Spannung auf 3,3 V zu senken, die Grenze für den ADC der Cobra (eigentlich Cobra II). Das wäre sicher, obwohl ich vorhabe, die Sauerstoffkonzentration, der der Sensor ausgesetzt sein würde, unter 5% zu halten, so dass der Sensor selbst mit einem großen Widerstand einen geringen Strom ausgeben würde.

— Matt

Wenn die Leckage durch ein nicht scharfes Knie bei der Durchbruchspannung verursacht wird, kann die Leckage unbedeutend sein, wenn der Sensorausgang niedrig ist, wo sie in meinem Fall funktioniert. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration unter 5% gehalten wird, liegt die Sensorleistung (ungefähr) unter 7 mA. Hmm. Prüft den Genauigkeitsgrad mit und ohne Zener bei einer solchen Konzentration / Sensorausgabe.

— Matt

In Bezug auf die Sicherung: Der von Ihnen angegebene Zener ist ein 1-W-Gerät, sodass sein maximaler Strom etwa 200 mA beträgt. Es ist schwierig, eine kostengünstige, sehr schnelle Sicherung zu finden, die bei diesem aktuellen Niveau durchbrennt. Das wahrscheinlichere Szenario ist, dass der Zener zerstört wird und der ADC-Eingang dem vollen 12-V-Ausgang Ihres Sensors ausgesetzt wird. Die Verwendung eines Widerstands (z. B. 4,7 k) begrenzt den Strom, der durch den Zener fließt, damit Sie ihn nicht zerstören. Ja, das Ziel ist, dass der normale Betrieb bei einer Spannung liegt, bei der die Zenerleckage vernachlässigbar ist.

— Joe Hass

Es scheint zwar keine Überspannung am ADC-Pin gemäß dem Ohmschen Gesetz zu geben, aber welchen Fall müssen wir vermeiden?

TVS-Diode ist eine gute Wahl. Jeder MCU-Typ hat eine maximale Versorgungsspannung, die beste aktive Spannung ist niedriger als die maximale Spannung und höher als die Arbeitsspannung. aber wenn wir die Polarität der Stoßspannung berücksichtigen, zwei TVS-Diodenreihen in die entgegengesetzte Richtung.

Es gibt eine andere Methode, um dies zu tun. Sie können zwei Dioden verwenden, um den ADC-Port zu schützen, z. B. 1N4148. Eine Diode wird zwischen VCC und ADC-Pin, eine andere ADC-Pin und GND verbunden. Es ist am besten, eine Widerstandsverbindung zwischen dem ADC-Pin und dem Übergang der beiden Dioden zu verwenden. In der Tat ist dies eine übliche Methode zum Schutz des Ports innerhalb der MCU. Es handelt sich um eine Erweiterungsverbesserung.

Wenn dies akzeptabel ist, ist die Verwendung der Optokoppler-Isolierung die beste Wahl. aber es ist sehr komplex.

— DreamCat
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Danke, DreamCat. Die Verwendung einer regulären Diode zwischen VCC und dem Sensorausgang ist mein Standardschutzschema. Ich habe versucht zu verstehen, wie ich eine Zenerdiode verwenden kann und ob es irgendwelche Vorteile gibt. Ich hatte nicht daran gedacht, für eine umgekehrte Polarität zu schützen. Verstehe nicht, was du damit meinst: "Es ist am besten, eine Widerstandsverbindung zwischen dem ADC-Pin und der Verbindung der beiden Dioden zu verwenden." Eine TVS-Diode (neu für mich) klingt ideal.

— Matt