Comment pourrais-je concevoir un circuit de tondeuse de protection pour l'entrée ADC?

Je voudrais pouvoir protéger mon ADC contre des tensions d'entrée supérieures à 5V. Quel est le circuit de protection le plus simple que je puisse construire pour avoir une sortie comme illustré ci-dessous?

Le plus simple est probablement un simple limiteur Zener:

Cela limitera également les tensions négatives à environ -0,7 V, bien que cette limite ne soit pas bien contrôlée.

Edit: je montre 100 Ohms à R1. Ceci est juste une valeur par défaut. Vous voulez une valeur aussi élevée que possible, compte tenu de la bande passante du signal que vous échantillonnez et des besoins en courant d'entrée de votre ADC. Plus cette résistance est élevée, plus le courant que le zener a besoin de descendre dans une condition de surtension est faible, donc plus le zener peut être petit (et moins cher). Vous voudrez peut-être ajouter un condensateur en parallèle avec le zener afin qu'il se combine avec R1 pour former un filtre anti-aliasing pour votre ADC.

Une option moins coûteuse si vous avez un rail 5 V qui peut absorber suffisamment de courant, et cela ne vous dérange pas que la valeur limite soit légèrement supérieure à 5 V:

Vous pouvez acheter les deux diodes dans un double emballage exactement à cette fin. Si vous souhaitez que la valeur limite soit plus proche de 5,2 V que de 5,7 V, utilisez des diodes schottky au lieu des diodes au silicium ordinaires.

Modifier 2

Comme le souligne Steven, il y a un compromis ici. Un zener commencera à conduire légèrement à des niveaux de courant faibles, et la source que vous mesurez doit être en mesure de fournir suffisamment de courant pour le conduire jusqu'à 5 V pour obtenir l'écrêtage souhaité. Si vous devez absolument pouvoir atteindre 5,0 V avant le début de l'écrêtage, vous devrez peut-être utiliser, par exemple, un zener de 5,3 V au lieu de 5,0 V, et assurez-vous que votre source peut fournir au moins 10 uA. Bien sûr, vous n'êtes pas assuré de couper en dessous de 5,5 V.

D'autre part, la connexion des diodes au rail positif (ma deuxième solution, que ce soit en utilisant des diodes externes ou celles qui sont probablement intégrées à votre ADC) ne fonctionnera que s'il y a suffisamment de charges sur le rail 5 V pour couler le courant fourni par la source de surtension. Dans un circuit de faible puissance, la surtension pourrait finir par conduire votre alimentation 5 V hors régulation et provoquer toutes sortes de comportements inattendus dans d'autres parties de votre circuit.

Vous pouvez limiter le courant qui doit être plongé dans la condition de surtension en augmentant la valeur R1. Mais votre capacité à le faire est limitée par la bande passante que vous souhaitez pouvoir mesurer dans votre signal d'entrée et / ou le courant d'entrée requis par votre ADC.

Ce n'est pas vrai non plus que la tension zener "varie énormément avec le courant". Il serait plus juste de dire qu'il y a un petit courant de fuite, de l'ordre de 10-100 uA, en dessous du seuil zener. Une fois que le zener entre en opération en avalanche, la tension peut être très stable sur des décennies de courant. Voici l'IV typique d'une famille On Semi zener:

Notez que les zéners de valeur supérieure ont une meilleure stabilité que ceux de faible valeur. Et bien sûr, il y a aussi des variations thermiques (1-2 mV / K typiques pour la partie On Semi à 5.1 V) à se soucier si vous voulez une tension d'écrêtage très stable.

Il fut un temps où je pensais que les diodes Zener étaient géniales. Maintenant je sais qu'ils ne le sont pas. En fait, ils puent. Cette diode a une tolérance de 4% à 250 µA, vous pouvez donc perdre les 200 mV supérieurs de votre lecture, mais cela empire: à 10 µA, la tension zener n'est que de 4,3 V, ce qui représente une erreur de 14%. Si votre entrée provient d'une source à impédance relativement élevée, comme un diviseur à résistance, vous risquez de perdre les 700 mV supérieurs.

La plupart des microcontrôleurs ont des diodes de serrage sur leurs broches d'E / S:

Vous pouvez les utiliser. Si votre signal provient d'une sortie à faible impédance, vous voudrez ajouter une résistance série pour protéger la diode de serrage contre un courant trop élevé. 50 mA est souvent spécifié comme valeur maximale absolue. Si vous utilisez une résistance de 15 kΩ, vous limiterez le courant à 1 mA pour une entrée de 20 V. Le Photon souligne à juste titre que le courant ne doit pas être trop élevé. C'est parce que vous injectez du courant là où la tension provient d'un régulateur de tension, et cela ne peut que générer du courant, pas le faire couler. Donc, si une source externe injecte du courant, la charge du régulateur devrait pouvoir la drainer à la terre.

Comme PetPaulsen le fait remarquer, il est question de savoir si cette pratique est acceptable. La fiche technique peut indiquer que l'entrée maximale est Vcc + 0,3 V, mais elle peut également indiquer un maximum de 20 mA pour les diodes de serrage (par exemple, ce contrôleur PIC . Cela peut signifier que la chute de tension de la diode de serrage est inférieure à 0,3 V, par exemple si elles de Schottky.
Quoi qu'il en soit, vous pouvez toujours utiliser votre propre diode externe pour fixer à Vcc. Cette diode Schottky ne baisse que de 100 mV à 10 mA, donc elle fixera l'entrée à une valeur sûre. N'oubliez pas la résistance de 15 kΩ pour sources à faible impédance de sortie.

Si votre tension d'entrée ne devient pas négative, la pince de masse n'est pas requise.