Thiết kế công suất thấp - chuyển đổi bộ chia điện áp bằng bóng bán dẫn?

Tôi có một mạch chia điện áp rất đơn giản để đo điện trở của điện trở platinum 100 Ohm.

Tôi muốn có thể tắt mạch phân chia điện áp từ nguồn điện để tiết kiệm điện.

Điều này có thể không?

---------------------------+3.3v
              |
              |
          Transistor----low/high
              |
              |
              R1
              |
              |-------to A/D pin
              |
              R2
              |
              |
----------------------------GND

Những gì bạn đề xuất là có thể, nhưng bạn phải nhận thức được một số vấn đề. Vấn đề lớn nhất là để bóng bán dẫn không làm biến dạng phép đo. Bạn đã không đưa ra bất kỳ yêu cầu chính xác nào, nhưng giả sử đó là A / D 10 bit và bạn không muốn bóng bán dẫn thêm nhiều hơn 1 lỗi. Trên thang đo 3,3 V, một số lượng A / D 10 bit là 3,2 mV. Với hai điện trở bằng nhau, bóng bán dẫn do đó không thể giảm hơn 6,5 mV. Điều đó hoàn toàn loại trừ một bóng bán dẫn lưỡng cực.

FET kênh AP có thể làm điều này. Một lần nữa, nếu bạn muốn bóng bán dẫn không thêm nhiều hơn .1% thì nó cần dưới 200 mΩ khi hai điện trở bằng nhau, và một nửa trong trường hợp xấu nhất.

FET kênh 100 mΩ có thể được tìm thấy, nhưng FET kênh N phong phú hơn và có các đặc tính tốt hơn, đặc biệt là ở các điện áp thấp này. Tôi sẽ sử dụng một chuyển đổi bên thấp kênh N thay thế:

IRLML2502 được đảm bảo tối đa 80 mΩ chỉ với ổ đĩa cổng 2,5 V, do đó sẽ thêm rất ít lỗi. Nếu yêu cầu sai số thấp hơn nhiều, thì bạn có thể đo đáy của R2 ngoài bộ chia điện áp và sau đó có thể tính đến sự sụt giảm trên công tắc trong phần sụn.

Thêm:

Bây giờ bạn đã thay đổi câu hỏi bằng cách nói rằng bạn đang thực sự sử dụng một mạch cầu. Điều này có ý nghĩa khi phép đo được hiển thị với chuyển động của đồng hồ analog, nhưng không cần thiết khi sử dụng vi điều khiển hiện đại. Với bộ vi điều khiển A / D bình thường, bạn đã có một cây cầu vì kết quả A / D được đo bằng phạm vi cung cấp điện. Trong thực tế, phía bên kia của cây cầu được xây dựng thành vi mô. Sử dụng một cầu nối bên ngoài khác và đầu vào A / D thứ hai sẽ chỉ thêm lỗi. Nếu bạn ổn với độ chính xác điện áp .1% ra khỏi dải phân cách, thì chỉ cần sử dụng mạch ở trên.

Một số vi điều khiển có đường tham chiếu điện áp A / D âm riêng biệt. Ví dụ, đây được gọi là dòng Vref- trên Microchip. Bạn có thể lái Vref- từ dưới cùng của R2 để bỏ qua điện áp đi qua Q1. Tuy nhiên, hãy kiểm tra phạm vi hợp lệ của pin Vref. Điều này có thể không được phép đi cao như Vdd. Đây thực sự là một trường hợp trong đó bạn có thể sử dụng xếp hạng tối đa tuyệt đối thay vì các giá trị vận hành. Khi mạch cảm biến tắt, bạn chỉ quan tâm rằng A / D không bị hỏng, không hoạt động chính xác. Tất nhiên, nếu bạn đang sử dụng A / D cho những thứ khác thì chương trình này sẽ không hoạt động.

Thêm về các cây cầu:

Nó đã được đề xuất rằng một mạch "cầu" là tốt hơn trong trường hợp này và sẽ loại bỏ bất kỳ điện áp giảm Q1 trong mạch trên. Đây không phải là trường hợp, ít nhất là không phải với sự giải thích của tôi về mạch "cầu". Đây là cách tôi nghĩ rằng cây cầu dự định được kết nối:

R1 là cảm biến điện trở thay đổi được đo. R2, R3 và R4 là các điện trở cố định với các giá trị đã biết. SW1 là công tắc được sử dụng để tắt mạch này khi không sử dụng để tiết kiệm điện. Khi thực hiện phép đo, SW1 được đóng lại. Trong sơ đồ này, SW1 được coi là một công tắc hoàn hảo với R5 được hiển thị riêng biệt để thể hiện khả năng chống chịu của nó.

Điểm của mạch cầu là cung cấp điện áp vi sai giữa V1 và V2. Điều này rất hữu ích trong các đồng hồ analog cũ khi đồng hồ cần dòng điện đáng kể và có thể được kết nối trực tiếp giữa V1 và V2. Lưu ý rằng điện áp V1-V2 vẫn tỷ lệ thuận với Vdd. Mạch này khôngđộc lập với Vdd, và do đó không độc lập với lỗi rõ ràng trong điện áp cung cấp gây ra bởi R5 hiện tại. Mạch cầu độc lập với Vdd chỉ trong một trường hợp và đó là khi V1-V2 bằng không. Đây là lý do tại sao các đồng hồ analog cũ sử dụng các mạch cầu kết hợp chúng với một biến hiệu chỉnh chính xác R3. Bạn sẽ không sử dụng phép đo của V1-V2 được hiển thị trên đồng hồ như một phép đo trực tiếp, mà là phản hồi của cài đặt R3 sao cho V1-V2 bằng không. Trong trường hợp số ít đó, Vdd sau đó không thành vấn đề và cũng không có trở kháng của đồng hồ giữa V1 và V2.

Những gì chúng ta có ở đây ngày hôm nay với đầu vào A / D của vi điều khiển là một trường hợp hoàn toàn khác. Những A / D này không được thiết lập để đo vi sai và dù sao chúng tôi cũng không có cách hiệu chỉnh đáng tin cậy để thay đổi R3. Tuy nhiên, chúng ta có thể thực hiện các phép đo điện áp khá chính xác theo phạm vi GND đến Vdd .

Nếu R5 bằng 0, thì điện áp ở V1 sẽ tỷ lệ Vdd chỉ phụ thuộc vào R1. Do cả mạch cảm biến và A / D trong vi điều khiển đều tạo ra và đo điện áp tương ứng với phạm vi GND đến Vdd, nên giá trị chính xác của phạm vi đó sẽ bị hủy bỏ.

Vấn đề duy nhất là khi R5 khác không và không xác định trong một số phạm vi. Điều này thêm một lỗi không xác định vào V1 ngay cả khi nó được coi là liên quan đến phạm vi Vdd. Trong thực tế, cảm biến đang tạo ra một điện áp một phần cố định của phạm vi Vlow đến Vdd, trong khi micro đang đo nó như một phần cố định của GND đến Vdd. Cách đơn giản nhất để giải quyết vấn đề này là đảm bảo rằng Vlow là một phần nhỏ của Vdd đủ để lỗi này có thể được bỏ qua.

Đề xuất sử dụng mạch cầu rõ ràng để việc đo cả V1 và V2 cho phép loại bỏ lỗi này. Nếu R3 và R4 được biết đến nhiều, thì V2 là chức năng trực tiếp của Vlow, nhưng bị suy giảm bởi bộ chia R4, R3. Với độ chính xác cao, V2 có thể được đo, suy ra Vlow và kết quả được sử dụng để sửa lỗi đọc V1. Tuy nhiên, không có lợi thế cho bộ chia R4, R3. Nếu bạn cần sửa cho Vlow, tốt nhất là đo trực tiếp. Không có trường hợp nào đo V2 tốt hơn đo trực tiếp Vlow . Vì chúng tôi tốt hơn nên đo Vlow và do đó không cần V2, nên không có điểm nào trong việc sản xuất V2. R3 và R4 do đó có thể được loại bỏ, không để lại bất cứ thứ gì có thể được gọi là mạch "cầu".

Câu hỏi cho thấy một bộ chia điện áp điện trở đơn giản, nhưng trong các bình luận bạn nói rằng bạn đang sử dụng cầu Wheatstone.

R5 là điện trở của thành phần chuyển mạch. Các phép đo cho cả hai thiết lập sẽ bị ảnh hưởng bởi R5. Đối với bộ chia điện trở:

$\mathrm{ V_1 = \dfrac{R2 + R5}{R1 + R2 + R5}V_{DD} }$

và rõ ràng R5 cao hơn sẽ tăng V1. Đối với cây cầu Wheatstone, chúng ta có:

$\mathrm{ V_{OUT} = \left( \dfrac{R3}{R3 + R4} - \dfrac{R2}{R1 + R2} \right)(V_{DD} - V_{LOW}) }$

Ở đâu

$\mathrm{ V_{LOW} = \dfrac{R5}{R5 + \dfrac{(R1 + R2)(R3 + R4)}{R1 + R2 +R3 + R4)}} V_{DD} }$

Do đó, đầu ra cầu Wheatstone cũng thay đổi khi VLOW> 0. Lấy chênh lệch không hủy bỏ VLOW! , ngoại trừ trong tình huống tầm thường trong đó V1 = V2.

$\Omega$$\Omega$$\Omega$

$\Omega$$\Omega$$\Omega$

$\mathrm{R_{DS(ON)}}$$\Omega$$\Omega$ $\mathrm{R_{DS(ON)}}$

$\mathrm{R_{DS(ON)}}$$\Omega$

(hình ảnh sơ đồ mượn một lần nữa từ Olin. Cảm ơn, Olin)

Nếu bạn đã sử dụng cầu Wheatstone (như bạn nói trong nhận xét), thì bạn có thể sử dụng công tắc MOSFET, vì nó sẽ chỉ ảnh hưởng đến điện áp chế độ chung chứ không ảnh hưởng đến tín hiệu. Chỉ cần đảm bảo rằng nó không ảnh hưởng đến zeroing bù cuối cùng của bạn.

Mạch nên là một cái gì đó như thế này :

Tất nhiên là có thể.

$r_{DS}$$r_{DS}$

Bây giờ đến câu hỏi: tại sao bạn sử dụng một bộ chia điện áp để đo điện trở? Bạn có thể đạt được độ chính xác tốt hơn (và cũng có thể sử dụng công tắc MOSFET mà không mất độ chính xác) với cầu Wheatstone .

Một lưu ý khác: tốt hơn là sử dụng bộ khuếch đại trước khi gửi tín hiệu đầu ra tới ADC, nếu không, bạn sẽ hạn chế rất nhiều phạm vi động của tín hiệu và mất độ chính xác. Chỉ cần một bộ khuếch đại không đảo ngược với Opamp chính xác (không phải 741 :)), rail-to-rail nếu bạn muốn tránh việc cung cấp kép.

Có, điều đó là có thể - bạn có thể sử dụng MOSFET kênh P với nguồn tới Vdd, thoát ra dải phân cách và cổng tới uC hoặc bất cứ điều gì bạn muốn kiểm soát nó. Ngoài ra, một điện trở pullup từ cổng đến nguồn (giả sử 10K)
Sau đó, để bật chỉ cần kéo cổng xuống đất, tắt để cho nó nổi (đặt chân uC thành Hi-Z)

Như đã lưu ý, tùy thuộc vào loại chính xác mà bạn đang nhắm đến cho điều này có thể không phải là cách để đi. Nó chắc chắn không phải là chính xác nhất, nhưng nếu bạn không quá bận tâm về điều này thì đó là cách đơn giản nhất.
Nếu bạn chọn một MOSFET có Rds thấp và kiểm tra min / max, thì bạn có thể dễ dàng tìm ra cách nó có thể ảnh hưởng đến bài đọc của bạn và quyết định.

EDIT - đọc các bình luận, nếu bạn đang đo nhiệt độ đất và chỉ cần độ chính xác 0,5 độ C thì tôi nghĩ một cái gì đó như DS18B20 có lẽ sẽ phù hợp và dễ sử dụng hơn PT100. Tất cả mọi thứ trong một gói nhỏ với 2 hoặc 3 dây để kết nối. Bạn cũng có thể lấy chúng trong vỏ chống nước tiện lợi trên eBay - đây là một ví dụ .