Προστασία με 5V TVS

[selectronic]

Κύριοι καλημέρα,

Θέλω να προστατεύσω τις εισόδους ενός ADC από υπερτάσεις για να έχω το κεφάλι μου ήσυχο και έχω αγοράσει ήδη μερικές SMAJ5.0CA Bi-directional TVS αλλά διαβάζοντας το datasheet νομίζω ότι δεν με καλύπτουν:
Ο ADC λέει ότι η μέγιστη τάση για τις εισόδους είναι "VDD + 0.3V" και η Vdd μου θα είναι 5V (ας υποθέσουμε ότι είναι 5.00V ακριβώς), οι TVS όμως κάνουν clamp στα 6.4 με 7.25V αν διαβάζω σωστά το datasheet...
Αν είναι τα πράγματα έτσι όπως νομίζω και δεν μου κάνουν οι "5V" TVS, τι να κάνω? 4.7V Zener νομίζω είναι πολύ μικρή και θα άγει στα 5.0-5.1V.... Να βάλω διπλές διόδους πχ 1Ν4148? Και αυτές νομίζω στα όρια του Vdd+300mV θα είναι αλλά δεν μπορώ να σκεφτώ κάτι άλλο σε τόσο μικρό παράθυρο τάσης.

Ευχαριστώ για τον χρόνο σας!

Spoiler: 

---

SMAJ5.0CA datasheet
ADS1115 datasheet

[SProg]

Καλημέρα Γιάννη,

το πιο απλό κύκλωμα είναι με Clamp διόδους, αντί για την 1N4148 βάλε άλλη με μικρότερο Vf. Υπάρχει κάτι άλλο πριν τον ADC, ίσως κάποιο RC;

Το πρόβλημα με τις Clamp είναι ότι αν το σήμα είναι για παράδειγμα 6V, τότε ουσιαστικά έχεις ροή ρεύματος από το σήμα προς τα 5V. Αν τα 5V τα παράγεις για παράδειγμα με LDO, τότε μπορεί να επηρεάζει το feedback του.

[selectronic]

Θέλω να φτιάξω ένα "power meter" (να μετράει τάση/ρεύμα/ισχύ) με το ADS1115 και Arduino πχ σαν αυτό.
Οι τέσσερις είσοδοι του ADC θα γίνουν δύο διαφορικά ζευγάρια, το ένα θα μετράει την τάση μέσω διαιρέτη τάσης και το άλλο το ρεύμα μέσω πάλι τάσης ή ενός low-side Shunt (<100mV full-scale) ή με χρήση hall effect sensor όπως στο βίντεο.
H τάση τροφοδοσίας θα είναι κλασσικά με 7805 (οπότε 5.0-5.1V) και η τάσεις στις εισόδους του ADC θα είναι κάτω από την Vcc, το shunt θα βγάζει mV ενώ για την μέτρηση τάσης θα υπολογίσω τον διαιρέτη για μέγιστο 2-3V για να κερδίσω σε ανάλυση, αν και αν δουλέψει "σωστά" (10-50μV/bit) τότε δεν θα έχω πρόβλημα να μετράω 30-40V με ακρίβεια 1-2 δεκαδικών (λέω τώρα ).

Για δίοδο τώρα, ακόμα και οι Schottky που λένε πχ "Vf=300mV" (που είναι στο όριο του "Vdd + 0.3V"), οι τιμές αυτές είναι για ελάχιστα mA, πχ η ΒΑΤ46W έχει Vf=250mV@0.1mA αλλά 450mV@10mA και 1000mV@250mA, φαντάζομαι όμως ότι και υπερτάσεις από θόρυβο κτλ (όχι αν κάτι πάει πραγματικά στραβά) θα είναι της τάξης των μΑ...

Επίσης το (σχετικά με απλές διόδους) μεγάλο ρεύμα διαρροής (ανάστροφο) δεν νομίζω να είναι πρόβλημα έτσι? Το λέω γιατί θεωρητικά θα μετράει μV η είσοδος οπότε και μερικά μΑ μπορεί να αλλοιώνουν την μέτρηση?

Ευχαριστώ!

ADS1115 16-bit ADC:
2/3x gain +/- 6.144V 1 bit = 187.5uV
1x gain... +/- 4.096V 1 bit = 125uV
2x gain... +/- 2.048V 1 bit = 62.5uV
4x gain... +/- 1.024V 1 bit = 31.25uV
8x gain... +/- 0.512V 1 bit = 15.625uV
16x gain .+/- 0.256V 1 bit = 7.8125uV

Edit:
Τυχερός είμαι, έχω ήδη 50τεμ ΒΑΤ85 που θεωρητικά έχουν καλά χαρακτηριστικά, αλλά είναι από eBay οπότε μπορεί να είναι άλλα αντί άλλων...

[nestoras]

Γιαννη, μεχρι τι συχνοτητα θες να μετρας? DC, AC 50Hz? Κατι πιο γρήγορο? Δειγματοληψια?

Οπως και να'χει, θα πρεπει να βαλεις ενα RC χαμηλοπερατο φιλτρο στην εισοδο του ADC.

Μπορεις να βαλεις τελεστικους ενισχυτες ακριβειας πριν την εισοδο του σηματος στον adc και μετα τα φιλτρα για να φτιαξεις τις σταθμες οπως θελεις. Τις προστασιες θα τις βαλεις στις εισοδους των τελεστικων. Τον περιορισμο ρευματος θα σου τον κανει το RC φιλτρο ουτως ή αλλως.

Αν εχεις μικρο σημα εισοδου (πχ κατω απο 300mV) τοτε μπορεις να βαλεις αντιπαραλληλες γρηγορες διοδους στο σημα μετα το φιλτρο και πριν απο την εισοδο του τελεστικου.

Απο εκει και περα αν εχεις σκοπο να μετρας 230V AC θα πρεπει να απομονωσεις γαλβανικα ολο το κυκλωμα του adc απο τον μικροελεγκτη με καποιους digital isolators.

[selectronic]

DC θέλω να μετράω, θέλω να φτιάξω ένα όργανο για τροφοδοτικό που να είναι καλύτερο από τα "100V/10A Panel Meters" που μετράνε στο περίπου, οπότε είναι σαν να μην υπάρχουν, πρέπει να βάλεις πολύμετρο για να δεις αν η τάση είναι πραγματικά πχ 12.1V ή 12.2V, εγώ θέλω να μετράω (αν είναι δυνατόν) με ακρίβεια δύο δεκαδικών.
Σε πρώτη φάση θέλω να δουλέψει στο breadboard, να δω αν με ένα 75mV/10A shunt μπορώ να μετράω ρεύμα σωστά (χωρίς hall effect sensor όπως στο βίντεο που έβαλα λινκ πριν), να παλέψω τον κώδικα για LCD κτλ, και μετά ΑΝ τα καταφέρω, θα το βάλω σε πρώτη φάση σαν όργανο σε ένα ηλεκτρονικό φορτίο (και αν δουλέψει έχω 455 τροφοδοτικά που θέλω να φτιάξω και θα ήθελα να έχουν ακριβή όργανα στην πρόσοψη).

Για τέτοια δουλειά θα χρειαστώ low-pass RC φίλτρο? Η ταχύτητα δειγματοληψίας δεν με ενδιαφέρει όπως καταλαβαίνεις (ή μάλλον με ενδιαφέρει να είναι χαμηλή για λιγότερο θόρυβο), ακόμα και το χαμηλότερο 8 Samples Per Second είναι μια χαρά, ΑΝ παίξει η forked βιβλιοθήκη γιατί από ότι έχω καταλάβει (δεν έχω ξεκινήσει ακόμα τα πρακτικά) η "μαμά" adafruit βιβλιοθήκη δουλεύει μόνο στα default 128 SPS...
Δεν έχω σχέδια για 230Vac...

(Buffer?) Τελεστικούς αν δεν είναι απαραίτητοι δεν θέλω να βάλω, και λόγο πολυπλοκότητας κυκλώματος/PCB αλλά και γιατί θα πρέπει να είναι κι αυτοί αντάξιοι του ADS1115 σε ακρίβεια, οπότε μιλάμε για ακριβούς τελεστικούς με πολύ μικρές τιμές τάσεων/ρευμάτων offset κτλ αφού μιλάμε για 7.8μV/bit θεωρητικά (και στην καλύτερη περίπτωση αλλά όσο ζω ελπίζω).

Edit:

Τώρα που κοιτάω το datasheet του ADS1115 (σελ 15), βλέπω ότι έχει εσωτερικά διόδους προστασίας αλλά για ESD και συνιστά να μπουν "αντιστάσεις σε σειρά με τις εισόδους και δίοδοι Schottky".

[744]

Το DC εισόδου θα είναι 0-5 Volt?

Μπορεί να είναι 0-4 Volt?

[selectronic]

Το DC εισόδου θα είναι 0-5 Volt?

Μπορεί να είναι 0-4 Volt?

Από την σελίδα 17 του datasheet:



Αν θέλω να μετράω τάση 0-50V στην κλίμακα 0-4096V του ADC (1x Gain), θα έχω ακρίβεια ~1.65mV/bit (διαιρέτης 12.5/1) που είναι σούπερ για μέτρηση τάσης!
*Αν ο θόρυβος είναι μηδέν, ο διαιρέτης δεν έχει καθόλου απόκλιση κτλ, χοντρικά μιλάω...

Για την μέτρηση ρεύματος όμως που θέλω να κάνω, στα 0-4096V του ADC θα έχω ακρίβεια ~16mA/bit που δεν είναι και ότι καλύτερο, θα ήθελα καλύτερη ακρίβεια αν γίνεται, οπότε ή θα αλλάζω το gain του ADC στον κώδικα και θα μετράω τάση με 1x Gain και ρεύμα με 4/8 Gain (θεωρητικά 4/2 mA/bit), ή αν δεν γίνεται να αλλάζει το gain τότε θα είναι μόνιμα στο 4 ή 8 (~0.5-1V full range).

Αν δεν φτιάξω κάτι στο breadboard να δω τι γίνεται στην πράξη, δεν μπορώ να είμαι σίγουρος για τίποτα. Μιλάμε για 15μV ανά bit, αυτές οι τάσεις θέλουν μέτρηση με 4 καλώδια σε ΚΑΛΟ βολτόμετρο πάγκου, δεν ξέρω τι θα μετρήσω με το πολύμετρο του πενηντάρικου... Ακόμα και μερικοί πόντοι καλώδιο θα αλλάζουν την μέτρηση όταν μιλάμε για μV!!!

[744]

Μπορείς να κάνεις ψευτο-ψηφιακό φίλτρο και υπερδειγματοληψία στο πρα½€γραμμά σου. Π.χ. μαζεύεις 256 δείγματα και τα διαιρεαΌ°ς / 16. Έτσι έχει 16 bit αποτέλεσμα, δεν παίζουν τα τελευταία ψηφία (τουλάχιστον όχι πολύ) και φιλτράρεις με τον μέσο όρο το σήμα σου.

Από εκεί και πέρα, αν δεχτείς χαμηλότερη τάση μέτρησης, μπορείς να κάνεις τα εξής:

1. δακτύλιο φερίττη (π.χ. Murata BLM21, 1K@100MHz) στη γραμμή εισόδου με πυκνωταΌ* 100pf προς τη γείωση. Σε προστατεύει από σύντομα μεταβατικά φαινόμενα.
2. αντίσταση 1Κ και άλλα 100pf προς τη γείωση. Χαμηλοπερατό για προστασία από παλμούς μέχρι 500V αφού περιορίζει το slew rate σε 5V/ns.
3. Με δύο LND150 σε σειρά και μια αντίσταση στη μέση ώστε να γίνουν αμφίδρομες πηγές ρεύματος, θα περιορίζουν το συνολικό ρεύμα προς τον ADC στα 10mA και αυτό το ρεύμα θα οδηγείτε μέσα από τις ανάστροφα πολωμένες διόδους προς την γη και τα +5.

Ακόμα καλύτερα, και για αυτό σε ρώτησα αν δέχεσαι μικρότερη τάση, είναι να πολώσεις τις διόδους με έναν διαιρέτη τάσης σε χαμηλότερη τάση από το +5V ώστε να άγουν τα διόδια νωρίτερα.

Μετά από τα παραπάνω, ελεύθερα το ακουμπάς και στα 230VAC! (καλύτερα μην το δοκιμάσεις για την δική σου προστασία!)

[selectronic]

ΟΚ παιδιά, θα βάλω φίλτρο RC, φερρίτες σε σειρά και διπλές διόδους.
Θα παραγγείλω πυκνωτές 100pF (οι πιο μικροί που έχω τώρα είναι 1nF) και Schottky διόδους με την μικρότερη Vf που μπορώ να βρω (γιατί δεν εμπιστεύομαι αυτές από το eBay).

Ευχαριστώ πολύ!