Protection des broches d'une carte électronique contre les surtensions dues à une mauvaise connexion

[Untitled07]

Bonjour,

Je suis en train de concevoir une carte électronique avec deux entrées connectées à un ADC (MCP3202), une sortie connectée à la sortie d'un AOP (INA105) et une alimentation par batterie de 24V.

Ma question est la suivante : existe-t-il un moyen de protéger les entrées de l'ADC et la sortie de l'AOP d'une surtension due à un mauvais câblage ? Si l'alimentation par batterie 24V est connectée à l'entrée de l'ADC ou à la sortie de l'AOP par erreur, ces composants peuvent-ils être protégés ?

Pour l'ADC, j'ai fait une protection en utilisant des diodes Schottky mais cette protection ne fonctionne que si la carte est alimentée puisque j'ai besoin du rail +5V. Un capteur de position envoie un courant entre 4 et 20 mA. Une résistance parallèle de 250 ohms permet d'obtenir une tension entre 1 et 5V à l'entrée de l'ADC.

bSwib.png


L'AOP INA105 me permet d'obtenir un courant entre -10/+10mA en fonction des tensions d'entrée, celles-ci étant données par un DAC (DAC7612).


BqHHx.png


J'espère avoir été clair, je vous remercie d'avance pour votre temps. Je vous souhaite une bonne journée.
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[annjy]

Bsr,

bêtement, je mettrais soit des connecteurs différents pour chaque entrée ou sortie, soit des connecteurs avec détrompage......

pourquoi faire simple si on peut faire compliqué ?

cdlt,
JY

[Untitled07]

Merci @annjy pour ta réponse, je garde ça dans un coin de ma tête.
Je n'ai pas encore réalisé ma carte en PCB, mais seulement la partie prototypage sur breadboard.
Je tiendrai compte de la connectique lorsque je m'y attèlerai.

[Antoane]

Bonjour,
Une résistance en série avec l'entrée de l'adc, en amont des diodes, protégera l'ensemble en limitant le courant. Cette résistance doit être suffisamment faible pour être "invisible" en fonctionnement normal, tout en limitant suffisamment le courant dans le pire cas a protéger.
La valeur max de résistance peut être calculée en prenant en compte :
- la perte de bande passante due au filtrage passe-bas entre cette résistance et la capacité parasite en entrée de l'adc
- l'offset additionnel, valant le produit du courant de fuite (des diodes et de l'adc) et de la résistance.

Pour ce qui est de la protection de la sortie, un schéma similaire (doides de clamp et résistance) sera fonctionnel, puisque l'aop fonctionne en générateur de courant.
Il faut cependant que le design intégre suffisamment de marge pour que la chute de tension dans la résistance en fonctionnement normal soit acceptable.

[A voir en vidéo sur Futura]

[bobflux]

Le transistor en haut à droite reçoit 3V3-0.6V=2.7V sur sa base ; ça compense son Vbe et il garde son émetteur à environ 3V3.

L'ampli d'instrumentation en haut à gauche (et les 6 autres dans la boîte verte en dessous) peuvent sortir de +15V à -15V. Les sorties passent d'abord dans une résistance de 1k pour limiter le courant (tu peux mettre une résistance plus élevée). Ensuite la rangée de double diodes Schottky (mauvaise réf sur le schéma) limite la tension en négatif et en positif, en shuntant le courant soit à la masse, soit dans le transistor décrit ci dessus. Puis ça va au microcontrôleur.

Ça fonctionne très bien, les entrées ADC du micro sont protégées contre les surtensions.

Shunter la surtension dans l'alim de l'ADC n'est possible que si cette alim est capable d'absorber du courant, ce qui n'est pas le cas d'un LDO par exemple, qui peut seulement en fournir mais pas absorber les surtensions. D'où le truc avec le transistor.

Il faut que les résistances de protection (les 1k ici) aient une valeur assez élevée pour supporter en continu la dissipation due à la surtension maximum prévue. Q12 ne doit aussi ni surchauffer ni arriver à court de courant de base, d'où le choix d'un TO92 plutôt qu'un SOT23 et de R51.

[Vincent PETIT]

Bonjour,

Pour l'ADC, j'ai fait une protection en utilisant des diodes Schottky mais cette protection ne fonctionne que si la carte est alimentée puisque j'ai besoin du rail +5V. Un capteur de position envoie un courant entre 4 et 20 mA. Une résistance parallèle de 250 ohms permet d'obtenir une tension entre 1 et 5V à l'entrée de l'ADC.

En effet ce point est embêtant car tu vas te retrouver avec une tension aux bornes d'un appareil hors tension.

Tu peux éventuellement intercaler un switch analogique (un transistor PMOS) commander par ton électronique pour le cas où elle serait hors tension pendant que la boucle 4-20mA fonctionnerait. Comme dit avant moi par Antoane et bobflux Rprotection se dimensionne par rapport à la surtension envisagée et la diode transil bidirectionnelle est là pour clamper cette surtension, à ce que tu as envisagé. La transil a une grande plage de tolérance et il n'est pas évident d'en choisir une mais la doc donne des valeurs de clamp pour des conditions min et max.

Ex : Une SMBJ24CA clamp entre 26.7V_min et 29.5V_max pour une surtension à faible courant continue (1mA), pour une surtension à fort courant impulsionnel comme on applique lors des tests CEM, elle clampera à 39V. Par exemple, en plaçant une SMBJ24CA et en dimensionnant Rprotection avec une surtension de 39V te place dans une position bretelle, ceinture et... slip en barbelé. Les transils d'une valeur de clamp supérieure à 15V (à peu prés) ont un courant de fuite négligeable (1µA)



Après comme dans tout système de protection on peut encore aller plus loin avec un fusible en série avec R1 pour déclencher si un courant trop important (donc une tension aux bornes de R1) apparaissent, on pourrait ajouter du filtrage etc...



Question 1 :
C'est toi qui fournit le 24V au capteur de position ? Si oui peut être qu'il suffit de couper le 24V pour s'assurer qu'il n'y aura pas de courant dans la boucle quand ton électronique sera hors tension ?

Question 2 :
Assure toi que le capteur n'a pas un courant de défaut supérieur à 21mA car 0mA c'est la boucle rompue, entre 0mA et 4mA c'est la conso du capteur, de 4mA à 20mA c'est la pleine échelle du signal et j'ai vu plus d'une fois un courant entre 21mA et 24mA pour un défaut capteur.

[Untitled07]

Bonjour,

Tout d'abord, merci pour vos réponses.

@Antoane
En ajoutant une résistance en série de l'ADC en amont des diodes de Schottky, je crée un pont diviseur de tension avec la résistance parallèle de 250 ohms. L'ADC va alors lire une tension inexacte. L'ajout d'un montage suiveur entre la résistance parallèle et la résistance série résoudrait ce problème mais déporterait le problème initial sur la protection de l'AOP n'est ce pas ?

@bobflux
Effectivement j'avais déjà entendu le problème des LDO qui n'absorbe pas de courant. J'utilise un abaisseur de Buck (LM2675). Je vois dans la datasheet "Current Limit max 2.2 A". Est ce que cela signifie qu'étant donné que le LM2675 peut apporter jusqu'à 1 A à la charge, il est capable d'absorber 1.2 A ? Je me demande si avec ce composant, on peut se passer du transistor.

@Vincent Petit
La diode TVS permet de protéger contre des surtensions de faible durée mais si l'on branche l'alimentation 24V sur la pin de l'ADC, la surtension sera constante et cramera la diode, non ?

Question 1 :
Le capteur est alimenté en 24V par la même batterie que ma future carte électronique.

Question 2:
La datasheet du capteur ne précise pas ce détail, seulement 4-20mA en sortie.

[bobflux]

Est ce que cela signifie qu'étant donné que le LM2675 peut apporter jusqu'à 1 A à la charge, il est capable d'absorber 1.2 A ?

Non, c'est un convertisseur buck non synchrone, ça ne va que dans un sens à cause de la diode.

Un buck synchrone peut absorber du courant, mais il le renvoie vers son alim, ce qui reporte le problème un peu plus loin.

[Untitled07]

Merci pour ces éclaircissements @bobflux