Por que um diodo Zener em uma configuração de alavanca está diminuindo a tensão de entrada?

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Estou tentando conectar um diodo Zener para adicionar alguma medida de proteção ("pé de cabra" fundido) a um circuito que inclui um sensor de oxigênio alimentado por loop com saída lida por uma entrada ADC / analógica GHI Cobra. A idéia é que, se houvesse um curto-circuito no sensor que causou 12V em sua saída, o Zener com queda de 4,7 V entre a saída do sensor (e a entrada do ADC) e o terra manteria a corrente de 12V afastada do ADC por tempo suficiente para fusível para explodir como o limite no pino Cobra é 5V.

No entanto, acho que quando coloco o diodo Zener, ele baixa a tensão que está sendo lida pelo ADC (voltímetro agora), por exemplo, de 4,38 volts para 3,98 volts. Quando troco o Zener por um diodo regular apenas para testar, a tensão não cai. O que da? Um Zener pode ser usado para um "pé-de-cabra" para não alterar a tensão no lado de saída do sensor? O Zener é instalado com o anel voltado para o lado ADC. A loja de eletrônicos disse que tem uma avaria de 4,7V, mas não tenho certeza de como testá-lo.

zener

— Matt
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Normalmente, os diodos regulares não exibem uma quebra tão boa do Zener quanto os diodos Zener (é por isso que eles têm diodos especiais Zener); portanto, é normal que um diodo regular não faça nada. Os diodos Zener podem vazar uma pequena quantidade de corrente e, dessa forma, afetar a medição. Que tipo de equipamento de teste você tem disponível? Você pode obter um diodo de supressão de tensão transitória (diodo TVS)? Eles devem ter menor corrente de fuga do que um diodo Zener.

— AndrejaKo

É meio difícil conseguir um diodo TVS agora (em uma pequena ilha.) A queda de tensão é de 10% - parece alta para vazamentos. Nenhum vazamento mensurável com o diodo regular.

— Matt

Isso não é um pé de cabra, é uma pinça. Um pé de cabra diminui a entrada em condições de sobretensão; um grampo limita-o apenas à tensão especificada.

— marcelm

Respostas:

A tensão reversa de um diodo zener não mostra um joelho agudo com o aumento da corrente; portanto, o zener conduzirá vários miliamperes em tensões bem abaixo da tensão nominal. Não há necessidade de fusível neste caso, supondo que a impedância de entrada do seu microcontrolador seja alta. A propósito, o que é um "GHI Cobra"?

Sugiro substituir o fusível por um resistor de 4,7k e usar um zener de 5,1V ou 5,6V. Seria melhor se você pudesse reduzir a faixa de operação normal da entrada ADC para que a tensão máxima esperada seja em torno de 4V ... talvez alterando o resistor de 250 ohm para 200 ohm. Então o joelho macio do zener não afetará suas medições e você estará dando um pouco de espaço para o zener começar a conduzir.

— Joe Hass
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O GHI Cobra é um microcontrolador (pense no Arduino) apenas com clock mais rápido e 10x da RAM. Os controladores GHI e Netduino são .NET com base e usar o MS Visual Studio para desenvolver em uma pequena lista em seu site:. Goo.gl/xDU7m5

— Chris K

Se o zener vazar "vários miliamperes", sim, isso certamente seria o problema. Estou surpreso com esse vazamento. Não entenda a substituição do fusível por um resistor de 4,7k. Se eu ficar com o diagrama, o ADC não estaria lendo a tensão correta, correto?

— Matt

Na verdade, eu provavelmente usaria um resistor de 165 ohm para reduzir a tensão máxima para 3,3V, o limite do ADC do Cobra (Cobra II, na verdade). Isso seria seguro, mesmo que eu planeje manter a concentração de oxigênio a que o sensor seria exposto abaixo de 5%, assim o sensor produziria baixa corrente mesmo com um resistor grande.

— Matt

Portanto, se o vazamento for causado por um joelho não agudo na tensão de ruptura, o vazamento poderá ser insignificante quando a saída do sensor for baixa, e é onde ele operará no meu caso. Por exemplo, se a concentração de oxigênio for mantida abaixo de 5%, a saída do sensor será (aproximadamente) abaixo de 7mA. Hmm. Testará o grau de precisão com e sem zener nessa concentração / saída do sensor.

— Matt

Em relação ao fusível: o zener que você especificou é um dispositivo de 1W, portanto sua corrente máxima é de cerca de 200mA. É difícil encontrar um fusível barato e muito rápido que queime neste nível atual. O cenário mais provável é que o zener seja destruído e a entrada ADC sujeita à saída total de 12V do seu sensor. O uso de um resistor (por exemplo, 4,7k) limita a corrente que passará pelo zener, para que você não o destrua. Sim, o objetivo é que a operação normal esteja em uma tensão em que o vazamento do zener é insignificante.

— Joe Hass 02/09

Embora pareça que não haja sobretensão no pino ADC de acordo com a lei de Ohm, mas, que caso precisamos evitar?

O diodo TVS é uma boa escolha. Todo tipo de MCU possui uma tensão máxima de alimentação, a melhor tensão ativa é menor que a tensão máxima e maior que a tensão de trabalho. mas se considerarmos a polaridade da tensão de surto, duas séries de diodos TVS na direção oposta.

Há outro método para fazer isso: você pode usar dois diodos para proteger a porta ADC, por exemplo 1N4148.um diodo conecta-se entre os pinos VCC e ADC, outro pino ADC e GND. é melhor usar uma conexão de resistor entre a junção de pinos e ADC dos dois diodos. de fato, este é um método comum para proteger a porta dentro do MCU. É um aprimoramento da extensibilidade.

Se for aceitável, use o isolamento do acoplador óptico é a melhor opção. mas é muito complexo.

— DreamCat
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Obrigado, DreamCat. Na verdade, usar um diodo regular entre o VCC e a saída do sensor é o meu esquema de proteção padrão. Estava tentando entender como poderia usar um diodo zener e se há alguma vantagem. Eu não tinha pensado em tentar proteger por uma polaridade reversa. Não entenda o que você quer dizer com "é melhor usar uma conexão de resistor entre o pino ADC e a junção dos dois diodos". Um diodo TVS (novo para mim) parece ideal.

— Matt