Veilig externe analoge sensoren inlezen

Hi die Henk

Ik heb het een en ander even op papier gezet na het lezen van dit topic en de datasheet van de LMV324.
De LMV 324 is alleen "Rail to Rail" aan de uitgangs en natuurlijk ook niet perfect hierin,
maar als je een 5V referentie gebruikt voor de ADC heb je waarschijnlijk niet te veel problemen met de ingang en uitgang offsets.

Hoe heb ik het nu opgezet...
De rode weerstanden zij er voor om je breik in te stellen als nodig.
Heb je geen gain nodig dan is R1 en R5 doorverbonden, R2 en R4 plaats je niet.
Er zijn dus meerdere combinaties hier mogelijk, kan je zo programmeren voor jouw sensors.

Je kan zien dat ik bij de +ingang van de opamp Max +4V heb geplaatst in het schema.
De LMV324 kan niet naar de volle 5V voedingspanning gebracht worden!

De beveiliging
Deze zit al in je IC
Het enig wat ik heb gedaan is er voor zorgen dat de stroom in of uit de +ingang binen een redelijke waarde blijft.
De diodes ter beveiliging in opamps en andere active logica kunen tussen 10 en 25mA hebben.
Ik begrens destroom hier met de weerstadn R3 van 1oK, dit beperkt de stroom naar de ingang bij +12V tot ruim onder 1mA.
Deze weerstand mag ook nog naar 22K gebracht worden, alleen wordt de fout van de bias stroom dn ook 2x zo hoog.
Na wat rekenwerk vond ik 10K aan aardige waarde.

Dan C2, deze werkt als Low Pass samen met R3, hierdoor ziet de ingang van de opamp nooit snelle pulsen en maakt de beveiliging nog degelijker.
De weerstand R3 van 10K zorgt er ook voor dat sommige electronische sensoren de 0,1uF niet als belasting zien, een anatal kunnen daar niet tegen.

ik zou twee voedings rails kiezen, één voor de sensoren en één voor de opamps.
Iedere LMV324 krijgt een 0,1uf ontkoppeling en de voedingslijk een 470uF ontkoppel condensator.
Samen met de 5,1V zener D1 zorgt dit er voor dat de voeding voor de opamps niet snel "gelift" kan worden bij calamiteiten.

De voedingsrail voor de sensoren (hier aleen als "5V" uitgevoer komt uit een eigen 5V regelaar.
Door de serie Schottky diode is daar geen 5,1V zener nodig, wel heb ik een kleine elco geplaatst om de AC impedantie hier laag te houden.

Daar ik nog steeds niet weet welke sensoren je allemaal gaat gebruiken, kan ik het niet optimaal maken, als it al mogelijk is.

Misschien helpt dit schema je een beetje.

Greot,
Bram

@Blackdog, een extra weerstand aan de ingang naar de + zou nog beter zijn, dan vervalt in vele gevallen de voedingsspanning naar de sensor, goed bij NTC, PTC ed.
Dan heb je nog veel meer mogelijkheden.

10-25mA DC (dus voor onbepaalde tijd) vind ik erg hoog, zeker voor moderne analoge en digitale IC's.

Het ligt eraan waartegen je wilt beveiligen; voor ISO 7637 compliance is dit aan de magere kant, maar zoals ik al zei is dit, voor een enkel exemplaar zonder veiligheidsfuncties waarschijnlijk goed genoeg.

In principe is R3 overbodig, want je hebt de impedantie van R1 en R2 al, die je toch moet rekenen voor de kantelfrequentie, maar soms wil je een signaal en beetje belasten, waardoor je R1 en R2 kleiner zou moeten maken dan je zou willen voor het filter en de opamp. Ik zou wel de optionele pull-up weerstand toevoegen.

Hi MGP,

Ik heb het er even bij getekend, aan de gebruiker is het om het wel of niet te gebruiken.

SparkyGSX
R3 Is altijd nodig, je hebt geen idee wanneer de weerstanden R1, R2 en/of R7 gebruikt worden.
R3 en C2 zijn de basis van de beveiliging samen met de ingebakken dioden, wat mij betreft altijd toepassen.

Groet,
Bram

Beter een TVS nemen i.p.v. een zener, lagere lekstroom en vele malen sneller (< 1nS)

Als R2 niet geplaatst wordt moet R1 simpelweg 10k worden, als je wilt delen door 2 maak je zowel R1 als R2 20k, zodat de impedantie alsnog op 10k uitkomt. Het theorema van Norton zegt dat R3 niet nodig is, tenzij je de ingangsimpedantie lager wilt kunnen maken, dan heb je een extra variabele en dus een extra weerstand nodig om aan alle eisen tegelijk te kunnen voldoen (ingangsimpedantie, RC constante, DC uitgangimpedantie, en spanningsdeling).

Ik vind het echter een slecht idee om zwaar op de eigenschappen van de ESD diodes te vertrouwen terwijl de fabrikant dat geen specificaties van opgeeft.

@Arco: snelheid is niet belangrijk, daar je hebt een RC filter die de stijgtijd beperkt. Een TVS heeft een vrij groot gebied tussen de spanning waar hij gegarandeerd niet geleidt en de spanning waarbij hij gegarandeerd wel in geleiding gaat. TVSen zijn inderdaad snel en kunnen kortstondig waanzinnig veel vermogen opnemen (tientallen kW gedurende honderd microseconde, voor grote exemplaren), maar dat zijn eigenschappen waar je in deze situatie juist geen gebruik van maakt.

[Bericht gewijzigd door SparkyGSX op zondag 11 augustus 2019 12:41:45 (42%)

Hi,

Ik heb nog even gezocht naar een andere opamp die wat beter is.
Natuurlijk kost deze meer, 3,15€ bij Reicheld en dat is de LMC6484.
Deze heeft pico Ampere bias stromen zodat b.v. R3 makkelijk naar 47K kan in het begewerkte schema.
Ook de voeding is max 15V van dit IC, zodat er wat minder vlak tegen de max voeding van de LMV324 aan gewerk hoeft te worden.
De Offset is lager en zowel de ingang als de uitgang is RR.

Bij deze LMC6484 wordt gespecificeert de stromen in of uit de de ingangen te beperken tot max 5mA.

Er zullen wel meer toepasbare opamps zijn, maar mijn tijd is nu op.

Groet,
Bram

@blackdog:

Dank u, enkele vragen:

weerstand tussen terugkoppeling en gnd: vermoed dat je hier een comperator mee wilt bouwen? Dat heeft imo weinig zin met een admux en adc erachter, maar misschien zie ik het verkeerd.

Verder de zener in de voeding van de op-amp snap ik niet zo goed... Wat is de functie bij een seperate voeding voor de op-amp (wat ik trouwens goed idee vind)

Maar hoe kom ik dan weg met 12v op de ingang?? De interne clamping van de op-amp gaat dit opvangen zo??

Edit 15V is te weinig in automotive, mijn lm324 mag 30v en was o. A. Daarop uitgelegd

Hi Arco,

De elco van 470uF zort er al voor dat er geen snelle signalen op de +5V opamp voedingsbus kunen optreden.
De 5,1V zener zal waarschijnlijk al een beetje gelijden bij 5V voeding, dat is nu eenmaal niet anders en omdat het er maar om 1 gaat. kan je die best selecteren voor dit project samen met de gebruikte 5V regelaar.

Maar ervaring is dat TVS dioden nog onnauwkeuriger zijn dan zeners, kan het, jazeker maar doe het niet voor de snelheid, want daar is het niet nodig zoals al uitgelegt.

SparkyGSX
Natuurlijk weet ik dat bij bepaalde combinaties van een ingangs circuit R3 zo kunnen worden wegelaten.
Voldoende ervaring gehad met dit soort schakelingen om er voor te kiezen dat mijn basis veiligheid er altijd is.
Hier hoeft niet op een weerstand te worden gekeken, en de impedantie hoeft ook niet precies 10K te zijn maar liever niet lager.
Bij mijn opset wordt er altijd aan de basis veiligheid voor de ingang voldaan onafhankelijk van het weerstands netwerk aan de ingang.

Groet,
Bram

Met die weerstanden is het een instelbare versterker, als je een comparator wilt maken gebruik je positieve terugkoppeling, geen negatieve.

Die zener op de voeding zit daar omdat de stroom die door de interne diodes loopt toch ergens heen moet; je wilt niet dat de 5V gaat stijgen.

De LM324 wel, maar de LMV324 waar je het steeds over hebt NIET!

@blackdog: daar is op zich best wat voor te zeggen, op deze manier kun je dat niet meer verprutsen als je de spanningsdeler verandert. Echter, als je weet wat je doet (je bent immers een ingenieur), is het niet nodig. Als de kostprijs en board space allebei niet uitmaakt kan het wel zo.

[Bericht gewijzigd door SparkyGSX op zondag 11 augustus 2019 12:58:20 (29%)

Hi Henk,

De opamp wordt volgens jou uit 5V gevoed en de LMC is max 5,5V volgens de datasheet.
De 5,1V zener helpt je opamps te beschermen bij de LMV324, zou je een LMC6484 gaan gebruiken, dan is de 5,1V zener niet nodig.
LET OP in je schema staat LMV324 en niet LM324!
De LM324 is niet goed te gebruiken in deze schakeling

De opamp staat in het geheel niet als comparator ingesteld als je R5 en R5 zou gaan gebruiken.
Wil je geen gain hebben, dan is R5 doorverbonden en wordt R4 niet geplaatst.

Yep, de clamp diodes vangen samen met R3 van 10K of 47K bij gebruik van de LMC6484 de 12V spanning op.
Snelle signalen (treden op bij rammelende kortsluitingen) worden gefilterd door R3 en C2.

Al je electronica wordt zover ik begrepen heb uit 5V regelaars gevoed, deze zullen automotiv geschikt moeten zijn.
De opamps hoeven niet aan die voorwaarden te voldoen maar de LMV324 vind ik wel wat krapjes met zijn 5,5V max voeding.
Een LM317-HV met met een elco over de voet weerstand helpt met ruis en met het rustig inkomen van de 5V voeding.
De -HV optie van de LM317 zorgt er voor dat deze regelaar degelijker is voor piekspanningen aan de ingang, deze mag tot 60V piek gaan.

Groet,
Bram

Mooi uitgewerkt blackdog, R7 zou nog naar de + vd amp-rail kunnen, als de +5V van de sensor-rail opgetild wordt naar 12V komt die niet op alle ingangen terecht.

Hi rwk,

Dank je.
Uhm, ja dat zou kunnen of dat altijd optimaal is hangt van de toepassing af...

Voor de volledigheid heb ik die optie er even ingetekend zodat je kan kiezen.

Ververs de pagina voor het aangepate schema.

Groet,
Bram

Op 11 augustus 2019 15:34:48 schreef blackdog:
Ververs de pagina voor het aangepate schema.

Dat werkt bij mij niet, ik heb Chrome al eens afgesloten en herstart but no changes.

MGP

De control toets ingedrukt houden en op de F5 toets klikken, dat dwingt de browser de pagina te verversen.

Groet,
Bram

Ok het werkt nu thx, ik dacht dat enkel met F5 het ook werkte, niet dus.

Mijn bedoeling was van R7 aan de andere kant van R1 te zetten, zo staat die in serie met de sensor en hiermee kun je eventueel de sensor ook voorzien van 5V door een xx ohm weerstand indien nodig, dan spaar je een voedingsdraad uit.
Zoals die nu getekend staat zie ik de meerwaarde er niet van in.

edit: om de schakeling te gebruiken met een NTC of PTC heb je die weerstand toch nodig.

[Bericht gewijzigd door MGP op zondag 11 augustus 2019 17:31:50 (11%)

ik heb het iets anders gemaakt:

Ik weet het: verdient niet de schoonheidsprijs, maar ik moet er 16 kwijt op die sheet en hoger kom ik niet uit..

de voedings portecties doe ik op een aparte voedingspagina..
Door R52 of R54 te plaatsen kan ik voeding kiezen..

EDIT: nogmaals sorry, heb hele lange dag gehad vandaag en ben nog niet op slaapplek, dus als ik een foutje heb gemaakt met overnemen... Vergef mij maar heb dit gepoogd letterlijk over te nemen..

Wat is trouwens de functie van R56 in mijn schema? Hij gaat rechtstreeks naar een ADMUX...

[Bericht gewijzigd door High met Henk op maandag 12 augustus 2019 22:09:52 (34%)

HmH, de ingang is niet goed gemaakt, is niet universeel genoeg.
Je hebt geen rekening gehouden met mijn laatste opmerking.

In bijlage wat ik bedoelde.

Volgens mij is die polyfuse niet nodig als R52 gebruikt wordt.

Hi Henk,

R56 helpt met de capacative belasting, hij helpt de opamp stabiel te houden.
Bij grote printen kunnen de sporen lang worden en daardoor zullen deze ook als condensatoren werken samen met zo'n 10pF Mux ingang.

Groet,
Bram

@blackdog: Logisch. Niet aan gedacht.

@MGP: begrepen, maar de weerstand na het signaal tot unctie heb je eruit gehaald. Fair enough...
De zeners en overspanningen van voedingsleidingen komen op andere sheet.

dit is het nu:

HmH, ik begrijp niet waarom je die polyfuse in de sensorleiding plaatst en niets in de voedingsleiding naar de sensor.
Je zult naar mijn mening nooit die 100mA kunnen bereiken op de plaats waar ze nu staat al ligt die draad tegen de massa, tenzij R52 (klein schema) lager is dan 50 ohm.

Maar maak een proefopstelling met één opamp en test dat op een sensor van uw auto want 16 gelijke ingangen voor verschillende sensors lijk mij niet echt werkbaar.
Test uw ergste nachtmerrie met die schakeling.

Ik zei al: was laat die dag.
Ofwel foutje.

Zondag terug van vakantie; gaat half jaar oude alternator verrot. Dus laat thuis en moesten 2 auto's nog uitpakken.
En koffer voor 3 dagen inpakken.

Volgende dag eerst auto maken, nog spullen ophalen daarvoor en toen voor trip naar Klaipeda litouwen, waar ik om 1.00 pas in hotel was

Daarna dag van 8.00 tot 20.00

En vandaag terug. Ontwerp wijzigen op vliegveld. Deze post doe ik lopend door schiphol..

M. A. W. Door de werkdruk schiet er nog wel e.e.a door.

Maar het leuke is dat ik met jouw opstelling alle kanten op kan. Dus ik durf het wel aan zo.
Zal de poly nog ff verplaatsen.

Op 14 augustus 2019 18:17:10 schreef High met Henk:
M. A. W. Door de werkdruk schiet er nog wel e.e.a door.

Niet mee inzitten

Deze voormiddag ~60km gefietst in de zon en gans de namiddag pétanque gespeeld in de club _{(ja ben gepensioneerd)} tot het beginnen regenen is om 17u, we blijven dus sportief en nu de hersens laten sporten

@MGP, Die "R52" gaat naar elke sensoringang, de compacte tekenwijze heeft de twee verschillende voedingsrails gecamoufleerd (de sensorrail gaat door na de diode), ook heeft HmH de voedingsrails door elkaar gehaald en voedt de sensoren nu met de opamp rail.
Daarnaast is nu de spanningsdeler verdwenen waarmee je je meetbereik instelt, en de weerstand naar massa daarvan zorgt eventueel ook voor de ontlading van de filter C en kabel en zorgt voor een belasting van de sensor.
Het schema van blackdog leest duidelijker.

R52 is de spanningsdeler geworden en de opamp meet over de sensor.

De voeding van de opamp moet idd van de andere 5V komen maar HMH zal dat wel eens rustig bekijken, is nog teveel in vakantiestemming

Hierbij een snelgemaakte duidelijker tekening.

edit: schema wat aangepast.