مقدمة
في النظام الإلكتروني العام ، هناك بعض المدخلات التي يتحكم فيها المستخدم النهائي. تتم قراءة هذه المدخلات عن طريق الإلكترونيات والتصرف بناءً عليها باستخدام المخرجات. يمكن أن تأتي المدخلات من عدد لا يحصى من المصادر: الأزرار والمفاتيح وأجهزة الاستشعار والمرحلات وأجهزة الاتصال ، على سبيل المثال لا الحصر. في بيئات ومواقف معينة ، يمكن أن تشكل إشارات الإدخال هذه تهديدًا للإلكترونيات التي تقرأها – خاصةً إذا تم تصميم هذه الأجهزة الإلكترونية دون التفكير في الحماية. أحد هذه البيئات هو عالم الإلكترونيات الصناعية.
يتمثل أحد الجوانب المهمة للتصميمات لهذه البيئة في الربط بين الإلكترونيات الحساسة والمدخلات القادمة من الظروف القاسية لأرضية المصنع. عادة ، تتم قراءة المدخلات بواسطة نوع من المعالجات الذكية مثل متحكم دقيق أو FPGA أو آلة الحالة. في مثل هذه الحالات ، من الضروري حماية المعالج من المدخلات ، مع الاستمرار في توفير إشارة قابلة للاستخدام ليقرأها المعالج.
تعريف المشكلة
في نظام المصنع النموذجي ، قد تكون هناك أزرار على لوحة التحكم تقع عن بُعد من وحدة المعالجة المركزية. الأزرار متصلة بالمعالجة المركزية عبر أسلاك طويلة. لسوء الحظ ، يمكن أن يؤدي هذا إلى فشل إلكتروني غير مقصود. يمكن أن تعمل الأسلاك الطويلة كمحث وعندما يتم فتح زر أو إغلاقه ، يمكن أن تظهر طفرات الجهد الكبيرة على المسارات الإلكترونية. يوضح الشكل 1 مخططًا مبسطًا لهذا الموقف.
من أجل مناقشة مناهج التغلب على هذه المشكلة ، سيتم استخدام مثال أكثر تحديدًا. المتحكمات الدقيقة النموذجية لها مقاومة مدخلات بترتيب 20 MΩ. بالإضافة إلى ذلك ، تتراوح جهود النظام من 1.2 فولت إلى 5.0 فولت. في هذه الحالة ، سنفترض نظام 5 فولت. يوضح الشكل 2 الشكل 1 المعاد تكوينه كنموذج إلكتروني مبسط.
باستخدام هذا النموذج ، من السهل رؤية مشاكل المدخلات غير المحمية. يتم تقديم أي جهد كبير يظهر على دبوس الإدخال مباشرة إلى الإلكترونيات الداخلية (متحكم دقيق). بغض النظر عن كيفية إنتاج هذا الجهد (ESD ، EMI المستحثة ، إغلاق المفتاح ، خطأ المستخدم) ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى إتلاف وحدة التحكم الدقيقة ، وربما يتسبب في فشل النظام بأكمله. لهذا السبب ، يجب تنفيذ استراتيجيات حماية مختلفة لإنشاء نظام قوي. من أجل مناقشة المشكلة بالتفصيل ، سيتم إنشاء نظام بسيط كما هو موضح في الشكل 3. إنه مفتاح بسيط متصل بمتحكم دقيق بوصلة سلك بطول 25 قدمًا. لاحظ أن المفتاح عبارة عن مفتاح ثنائي القطب ويتحول بين الفتح والأرضي. يتسبب المقاوم القابل للسحب في المتحكم الدقيق في قراءة موضع الفتح على أنه “مرتفع” بواسطة وحدة التحكم الدقيقة.
عندما يتم تغيير موضع المفتاح ، يتم إحداث جهد كبير على طول 25 قدمًا من السلك ، ويظهر عند المتحكم الدقيق. هذا موضح في الشكل 4. لاحظ أن الحد الأدنى من الجهد الناتج عن الرنين الاستقرائي هو -5.88V. هذا أكبر من الحجم بما يكفي للتسبب في مشاكل خطيرة داخل النظام الإلكتروني.
مع هذه الدائرة والنطاق البسيط يلتقط ، يمكن رؤية مشكلة الجهد الكبير. حان الوقت الآن للنظر في الأساليب المتبعة لإصلاح هذه المشكلة.
طرق الحماية
يتمثل أحد الجوانب المهمة لمدخلات وحدة التحكم الدقيقة (والغالبية العظمى من أي دوائر متكاملة منطقية) التي تم استبعادها من النموذج البسيط الموضح في الشكل 3 في أنها تحتوي على ثنائيات حماية داخلية تُستخدم لحماية المدخلات ، كما هو موضح في الشكل 5. هذه عادةً ما يكون التحيز إلى الأمام عند 0.7 فولت.
في ظل الظروف المثالية ، يمكن أن يحمي هذا المتحكم الدقيق. ومع ذلك ، إذا كان الجهد كبيرًا بدرجة كافية أو استمر لفترة طويلة بما يكفي ، فيمكنه تدمير الثنائيات الداخلية في وضع قصير ، وبالتالي “تخريب” دبوس الإدخال. والأسوأ من ذلك ، أن دبوس الإدخال متصل الآن مباشرة بسكة طاقة ، لذلك ، عندما يظهر الجهد الكبير التالي على دبوس الإدخال ، يتم تحويله مباشرة إلى ناقل الطاقة ، مما يؤدي إلى إحداث فوضى في جميع أنحاء المتحكم الدقيق وعلى الأرجح إتلافه بشكل أكبر .
حتى إذا لم يتم تدمير الثنائيات ، يمكن أن يؤدي ارتفاع كبير في ESD إلى زيادة التيار من خلال ناقل طاقة وحدة التحكم الدقيقة ، مما قد يؤدي إلى إتلاف السجلات والإعدادات الداخلية مما يؤدي إلى سلوك غير متوقع. مع وضع كل هذا في الاعتبار ، تم العثور على المحاولة الأولى لحماية دبوس الإدخال ضمن الحد الحالي.
الحد الحالي
إن أبسط آلية حماية هي المقاوم المحدد للتيار ، كما هو موضح في الشكل 6. يتم ضبط حجم المقاوم المدخل بحيث لا يؤثر انخفاض الجهد عبره على الجهد عند دخل المتحكم الدقيق. نظرًا لأن هذا عبارة عن مقسم جهد بسيط ، ومقاومة الإدخال في وحدة التحكم تبلغ حوالي 20 MΩ ، يمكن أن يكون هذا المقاوم كبيرًا إلى حد ما. بالنسبة لمعظم المدخلات الرقمية ، تتراوح القيمة الجيدة بين 100 Ω و 10 kΩ. بالنسبة لنظامنا ، يتم استخدام قيمة 1 كيلو أوم.
يعمل هذا النوع من الحماية بشكل جيد مع أطوال توصيل الأسلاك القصيرة وتشغيل الأسلاك المغلقة (فرصة ضئيلة لوجود EMI ، وما إلى ذلك). يوضح الشكل 7 كيف تعمل هذه الدائرة لتنفيذ الحماية. في الشكل 7 ، يتم قص حواف الرنين من الجهد المستحث عند -0.810 فولت.
الفلتره
أظهر الشكل 6 دارة حد تيار بسيط. ومع ذلك ، مع إضافة مكثف ، يمكن إضافة المزيد من الحماية عن طريق تحويل دائرة الحد الحالي إلى مرشح تمرير منخفض بسيط كما هو موضح في الشكل 8.
مع هذا النوع من الدوائر ، يجب تطبيق مزيد من التفكير على اختيار المكون. نظرًا لخصائص تحديد التردد للدائرة في الشكل 8 ، يجب ضبط حجم قيمة المقاوم والمكثف بحيث لا يفوت المتحكم الدقيق أي إشارات. يمكن استخدام المعادلة البسيطة الموضحة في الشكل 9 لتحديد قيمة المقاوم والمكثف.
معادلة تحديد قيم المقاوم والمكثف
الشكل 9: معادلة لتحديد قيم المقاوم والمكثف في دائرة مرشح تمرير منخفض تستخدم لمدخل رقمي.
لحساب قيمة R و C ، استخدم الخطوات التالية:
ابحث عن أسرع حافة للإشارة الواردة – أو حدد أسرع تردد للإشارة الواردة وافترض أن سرعة الحافة هي 1/100 من فترة الإدخال (تردد الإدخال 1 كيلو هرتز له حافة 10 s). حدد “R”. عادة يمكن تحديد هذا إلى قيمة مشتركة موجودة بالفعل في النظام ، مثل 1 كيلو أوم. استخدم المعادلة في الشكل 9 لتحديد قيمة “ج”. في بعض الحالات ، تكون إشارة الإدخال عبارة عن إشارة متحركة بطيئة جدًا (الضغط على الزر ، إغلاق المفتاح ، وما إلى ذلك) ، لذلك يمكن تغيير قيمة “C” بعد ذلك لتتناسب مع قيمة مشتركة على اللوحة ، طالما أن ترتيب يتم الحفاظ على الحجم.
كما هو مبين في الشكل 8 ، فإن قيم R و C هي 1 kΩ و 0.01 µF (يفترض أن الحد الأقصى لتردد الإدخال هو 1 kHz). يوضح الشكل 10 كيف تعمل هذه الدائرة مع دائرة تبديل الإدخال. لاحظ كيف اختفت حواف التجاوز الآن مقارنة بالشكل 7. هذا هو تأثير المكثف.
إحدى الميزات الإضافية لدائرة مرشح RC للمدخلات الرقمية هي أنها ترفض أيضًا المدخلات الزائفة / السريعة التي قد تسبب قراءات خاطئة على المتحكم الدقيق. لسوء الحظ ، بالنسبة لأحداث التفريغ الكهروستاتيكي الكبيرة وتشغيل الأسلاك الطويلة ، لا يزال من الممكن حدوث ارتفاعات في الجهد في وحدة التحكم الدقيقة لأن الدائرة تعتمد على إجراء القطع للديودات الداخلية. هذا يؤدي إلى النهج التالي.
الثنائيات الخارجية
للتخلص من استخدام الثنائيات الداخلية لوحدة التحكم الدقيقة ، يمكن استخدام ثنائيات شوتكي الخارجية للقطع. يظهر هذا في الشكل 11. يتم تنفيذ ثنائيات شوتكي لأنها تعمل قبل الثنائيات الداخلية للميكروكونترولر (ثنائيات شوتكي انحياز أمامي عند حوالي 0.2 فولت مقابل 0.7 فولت من الثنائيات الداخلية). لاحظ أنه يتم استخدام المقاوم المتسلسل الصغير لحماية ثنائيات شوتكي من التيار الزائد. نظرًا لأن هذه الثنائيات تعمل لفترة قصيرة فقط ، فإن المقاوم الصغير يعمل جيدًا ؛ شيء بترتيب 10 Ω عادة ما يعمل بشكل جيد. بدلاً من ذلك ، يمكن حذف المقاوم 10 إذا كانت ثنائيات شوتكي قوية بما يكفي للتعامل مع نبضات تيار عالية وقصيرة المدة.
يوضح الشكل 12 نتائج هذه الدائرة بدائرة تبديل الإدخال. الأثر الأصفر هو الجانب الإيجابي للمكثف ، بينما الأثر الأخضر هو المكان الذي يلتقي فيه المقاوم مع ثنائيات شوتكي. لاحظ أن الارتفاع السلبي هو -0.650 V ، وهو أقل من جهد التحيز الأمامي للمتحكم الدقيق. يجب ألا يسبب الجهد بهذا المستوى على PCB حسن التصميم أي مشاكل.
لذلك من أجل حماية المدخلات الرقمية الأكثر صلابة ، يجب استخدام مجموعة من المقاومات الخارجية والمكثفات والصمامات الثنائية.
أفكار أخرى
يمكن توسيع هذه الأفكار الأساسية بشكل أكبر لمدخلات الجهد العالي المعروفة. على سبيل المثال ، إذا تم تغيير إشارة الإدخال إلى تبديل جهد عالٍ بدلاً من الأرض ، فيمكن استخدام دائرة مثل الدائرة الموضحة في الشكل 13.
إن الصمام الثنائي لقطع الإدخال على الأرض هو للحماية من مسامير أقل من صفر فولت. تتم إزالة الصمام الثنائي لقص الإدخال إلى الناقل الموجب لصالح الصمام الثنائي zener بعد المقاوم المحدد الحالي. يوفر هذا جهدًا معروفًا لدبوس الإدخال ويقلل من كمية التيار المحول إلى ناقل الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع الاتصالات الموجودة على المدخلات الآن على الأرض ، مما يسهل توجيه ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لاحظ أنه في هذه الحالة ، يجب أن يكون المقاوم المحدد للتيار صغيرًا بما يكفي لتوفير تيار كافٍ للسماح بانهيار زينر عند الجهد الصحيح (حوالي 1 مللي أمبير كحد أدنى). يوضح الشكل 14 تشغيل هذه الدائرة ، باستخدام إدخال بتبديل 12 فولت.
خاتمة
عند ربط الدوائر الرقمية بالعالم الخارجي ، يجب توخي الحذر لحماية الإلكترونيات الحساسة. ومع ذلك ، فإن الدوائر المطلوبة لتوفير الحماية صغيرة وغير مكلفة وسهلة الفهم. إذا تم استخدام القليل من التدبر عند تصميم النظام ، فيمكن تجنب العديد من الصعوبات بمجرد نشر النظام.
