Конструкция с низким энергопотреблением - отключить делитель напряжения с помощью транзистора?

8

У меня очень простая схема делителя напряжения для измерения сопротивления платинового резистора 100 Ом.

Я хочу иметь возможность отключить схему делителя напряжения от источника питания для экономии энергии.

Это возможно?

---------------------------+3.3v
              |
              |
          Transistor----low/high
              |
              |
              R1
              |
              |-------to A/D pin
              |
              R2
              |
              |
----------------------------GND
Eamorr
источник
Глупый вопрос: разве в вашем микроконтроллере нет датчика температуры? Или почему вы не используете интегрированный, так как у вас низкие требования к питанию?
Клабаккио
Да, это измерение температуры почвы. Поэтому я должен воткнуть его в землю ...
Eamorr
Ну, тогда, хотя вы могли бы найти 3-контактные цифровые датчики, которые вы можете
подключить

Ответы:

11

То, что вы предлагаете, возможно, но вы должны знать о некоторых ошибках. Самая большая проблема для транзистора, чтобы не искажать измерения. Вы не предъявляли никаких требований к точности, но допустим, что это 10-битный АЦП, и вы не хотите, чтобы транзистор добавлял более 1 счетчика ошибок. По шкале 3,3 В один отсчет 10-разрядного АЦП составляет 3,2 мВ. При равных двух резисторах транзистор не может опускаться более чем на 6,5 мВ. Это полностью исключает биполярный транзистор.

AP канал FET может сделать это. Опять же, если вы хотите, чтобы транзистор не добавил погрешность более 0,1%, он должен быть меньше 200 мОм, когда два резистора равны, и вдвое меньше, чем в худшем случае.

Полевые транзисторы с каналом P 100 мОм могут быть найдены, но полевые транзисторы с каналом N более многочисленны и имеют лучшие характеристики, особенно при таких низких напряжениях. Вместо этого я бы использовал нижний боковой переключатель N-канала:

IRLML2502 гарантированно имеет максимум 80 мОм только при приводе затвора 2,5 В, поэтому добавится очень мало ошибок. Если требуется гораздо меньшая погрешность, то вы можете измерить нижнюю часть R2 в дополнение к делителю напряжения, а затем падение во всем коммутаторе может быть учтено во встроенном программном обеспечении.

Добавлено:

Теперь вы изменили вопрос, сказав, что вы действительно используете мостовую схему. Это имело смысл, когда измерение должно было отображаться с использованием аналогового измерителя, но не является необходимым при использовании современного микроконтроллера. С обычным A / D микроконтроллера у вас уже есть мост, так как результат A / D пропорционален диапазону источника питания. По сути, другая сторона моста встроена в микро. Использование другого внешнего моста и второго входа A / D только добавит ошибку. Если у вас все в порядке с точностью до 0,1% напряжения, выходящего из делителя, просто используйте схему выше.

Некоторые микроконтроллеры имеют отдельную отрицательную опорную линию аналого-цифрового напряжения. Например, это называется Vref-on Microchip PIC. Вы можете управлять Vref- снизу R2, чтобы игнорировать напряжение через Q1. Тем не менее, проверьте допустимый диапазон Vref-pin. Это не может быть позволено идти так высоко, как Vdd. На самом деле это тот случай, когда вы можете использовать абсолютный максимальный рейтинг вместо рабочих значений. Когда цепь датчика отключена, вам нужно только, чтобы A / D не был поврежден, а не чтобы он работал правильно. Конечно, если вы используете A / D для других целей, эта схема не будет работать.

Больше на мостах:

Было высказано предположение, что в этом случае лучше использовать «мостовую» цепь, которая будет устранять любое падение напряжения на Q1 в цепи выше. Это не так, по крайней мере, с моей интерпретацией "мостовой" схемы. Вот как я думаю, что мост предназначен для подключения:

R1 - измеряемый датчик переменного сопротивления. R2, R3 и R4 - фиксированные резисторы с известными значениями. SW1 - это переключатель, используемый для отключения этой цепи, когда он не используется для экономии энергии. Когда измерение проводится, SW1 закрывается. В этой схеме SW1 предполагается идеальным переключателем с R5, показанным отдельно, чтобы представить его на сопротивлении.

Задача мостовой схемы - обеспечить дифференциальное напряжение между V1 и V2. Это было полезно в старых аналоговых измерителях, когда измеритель требовал значительного тока и мог быть напрямую подключен между V1 и V2. Обратите внимание, что напряжение V1-V2 по-прежнему пропорционально Vdd. Эта схема нене зависит от Vdd и, следовательно, не зависит от очевидной ошибки в напряжении питания, вызванной током через R5. Мостовые цепи не зависят от Vdd только в одном случае, и именно тогда V1-V2 равен нулю. Вот почему старые аналоговые счетчики, которые использовали мостовые схемы, объединили их с прецизионно откалиброванной переменной R3. Вы не будете использовать измерение V1-V2, отображаемое на измерителе, как прямое измерение, а скорее как обратную связь установки R3, так что V1-V2 будет нулевым. В этом особом случае значение Vdd не имеет значения, равно как и сопротивление измерительного прибора между V1 и V2.

То, что мы имеем здесь сегодня с аналого-цифровыми входами микроконтроллера, - это совершенно другой случай. Эти АЦП не предназначены для дифференциальных измерений, и у нас все равно нет откалиброванного надежного способа изменения R3. Тем не менее, мы можем сделать довольно точные измерения напряжения реалистичными для диапазона GND - Vdd .

Если бы R5 было 0, то напряжение на V1 было бы отношением Vdd, зависящим только от R1. Поскольку и схема датчика, и аналого-цифровой преобразователь в микроконтроллере вырабатывают и измеряют напряжение относительно диапазона GND - Vdd, точное значение этого диапазона компенсируется.

Единственная проблема - когда R5 ненулевой и неизвестен в некотором диапазоне. Это добавляет неизвестную ошибку к V1, даже если она рассматривается относительно диапазона Vdd. По сути, датчик вырабатывает напряжение с фиксированной долей диапазона Vlow-Vdd, в то время как микро измеряет его как фиксированную долю GND-Vdd. Самый простой способ справиться с этим - гарантировать, что Vlow является достаточно малой долей Vdd, чтобы эту ошибку можно было игнорировать.

Предложение использовать мостовую схему, по-видимому, таково, что измерение V1 и V2 позволяет устранить эту ошибку. Если R3 и R4 хорошо известны, то V2 является прямой функцией Vlow, но ослабляется делителем R4, R3. С высокой точностью можно измерить V2, сделать вывод Vlow и использовать результат для коррекции показаний V1. Тем не менее, нет никаких преимуществ для R4, R3 делителя. Если вам нужно исправить Vlow, лучше измерить его напрямую. Ни в коем случае измерение V2 лучше, чем измерение Vlow напрямую. Так как мы лучше измеряем Vlow и поэтому не нуждаемся в V2, нет смысла производить V2. Поэтому R3 и R4 могут быть исключены, не оставляя ничего, что можно было бы назвать «мостовой» цепью.

Олин Латроп
источник
Да, требования к точности не слишком строгие - 0,5 градуса по Цельсию. Большое спасибо за ваш полезный пост. Я думаю, что это именно то, что мне нужно.
Eamorr
Быстрый вопрос: эти IRLML2502 рассчитаны на 4.2A. Действительно ли это нужно, когда мой аккумулятор питания питается от 3,3 В? Не могли бы вы порекомендовать транзистор с более низким током? Или я буду в порядке с IRLML2502?
Eamorr
2
@Eamorr - 80 мΩидет с течением. Сильноточные полевые транзисторы предназначены для низкогорDS(ОN)минимизировать потери мощности. Слаботочные полевые транзисторы обычно имеют более высокийрDS(ОN), Не беспокойся об этом.
stevenvh
@Eamorr: Нет, вам не нужна полная функциональность IRLML2502, но это не причиняет вам вреда. Вы заметите, что большинство полевых транзисторов с низким сопротивлением имеют приличный ток для своего размера. Это связано с тем, что из-за низкого сопротивления рассеивается так мало энергии.
Олин Латроп
1
@Eamorr: тогда зачем беспокоиться о сопротивлении МОС?
Клабаккио
5

Вопрос показывает простой резисторный делитель напряжения, но в комментариях вы говорите, что используете мост Уитстона.

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

R5 - сопротивление переключающего компонента. Измерения для обеих установок будут зависеть от R5. Для резисторного делителя:

В1знак равнор2+р5р1+р2+р5ВDD

и ясно, что более высокий R5 увеличит V1. Для моста Уитстона имеем:

ВОUTзнак равно(р3р3+р4-р2р1+р2)(ВDD-ВLОW)

где

ВLОWзнак равнор5р5+(р1+р2)(р3+р4)р1+р2+р3+р4)ВDD

Таким образом, выходной сигнал моста Уитстона также изменяется, когда VLOW> 0. Принятие разницы не отменяет VLOW! кроме как в тривиальной ситуации, когда V1 = V2.

Если R1 представляет собой Pt100 RTD (резистивный датчик температуры), который имеет сопротивление 100,0 Ω при 0 ° С и 138,5 Ωпри 100 ° С. Мы предполагаем, что это необходимый диапазон измерения. Если все остальные резисторы в мосту все 100Ωвыходное напряжение будет 0 В при 0 ° C и самое высокое при 100 ° C. Мы можем ожидать, что ошибка из-за R5 будет самой высокой при 100 ° C.

введите описание изображения здесь

График показывает ошибку чтения в% из-за сопротивления R5, изменяющегося от 0 Ω до 1 Ω, Фиолетовый график для резисторного делителя, синий график для моста Уитстона. У Уитстона ошибка выше! На первый взгляд это может показаться удивительным, но легко объяснимо: две ветви моста делят пополамΩодной ветви, как у делителя есть одна. Это означает, что VLOW для моста будет в два раза выше.

График показывает ошибку в чтении выходного напряжения, мы должны вычислить это обратно к значению температуры. Этот FET имеетRDS(ON) 90 мΩмаксимум. Если мы вычислим наши показания при 100 ° C, как будто сопротивление равно нулю, мы получим 99,90 ° C. С этим FET , с 22 мΩ RDS(ON) наше чтение будет 99,97 ° C.

Заключение
Сопротивление переключателя влияет на показания, но оно будет менее 0,1% при использовании FET сRDS(ON) <100 мΩ,

(схематические изображения снова заимствованы у Олина. Спасибо, Олин)

stevenvh
источник
1

Если вы уже используете мост Уитстона (как вы говорите в комментарии), тогда можно использовать переключатель MOSFET, поскольку он влияет только на синфазное напряжение, а не на сигнал. Просто убедитесь, что это не влияет на ваше возможное смещение нуля.

Схема должна быть примерно такой :

введите описание изображения здесь


Конечно это возможно.

Но, конечно, это не подходит для схемы измерения. В зависимости отrDSвашего MOSFET, вы будете иметь значительную потерю точности. Считайте, чтоrDS не является ни стабильным, ни точным значением, и оно чаще всего указывается как максимальное значение.

Теперь возникает вопрос: почему вы используете делитель напряжения для измерения резистора? Вы можете достичь большей точности (а также использовать переключатель MOSFET без потери точности) с мостом Уитстона .

Еще одно замечание: перед отправкой выходного сигнала на АЦП лучше использовать усилитель, иначе вы сильно ограничите динамический диапазон сигнала и потеряете точность. Просто неинвертирующий усилитель с прецизионным операционным усилителем (не 741 :)), от рельса к рельсу, если вы хотите избежать двойного питания.

клабаккио
источник
Привет, большое спасибо за ваш полезный ответ. Да, на самом деле я собираюсь использовать мост из пшеничного камня, подключенный к операционному усилителю с единичным усилением. Я просто вставил делитель напряжения для простоты. Вы упомянули, что если я использую мост из пшеничного камня, я могу использовать транзистор для отключения цепи. Как это сделать?
Eamorr
1
@Eamorr: Но это делает вещи совершенно другими, потому что MOSFET разбалансирует делитель, но не мост. Я бы предложил вам уточнить вопрос с реальной схемой. Вы можете использовать CircuitLab, пока мы не получим подходящий редактор схем
clabacchio
Мммм. Возможно, я должен просто использовать очень большие сопротивления, чтобы минимизировать ток утечки. Я только хочу измерять температуру каждые 60 секунд. Большое спасибо за ваш ответ,
Eamorr
Спасибо за принципиальную схему. У меня что-то почти точно такое же ...
Eamorr
@clabacchio не использует активный усилитель, чтобы победить «маломощный» аспект вопроса ОП?
Викацу
1

Да, это возможно - вы можете использовать P-канальный MOSFET с источником в Vdd, каналом для делителя и шлюзом для UC или любым другим устройством, которым вы хотите управлять. Также подтягивающий резистор от затвора к источнику (скажем, 10 кОм).
Затем, чтобы включить, просто потяните затвор на землю, чтобы выключить его, чтобы он плавал (установите вывод uC в Hi-Z)

Как уже отмечалось, в зависимости от того, к какой точности вы стремитесь, это может оказаться не лучшим решением. Это, конечно, не самый точный, но если вы не слишком обеспокоены этим, то это самое простое.
Если вы выберете MOSFET с низким Rds и отметите минимальное / максимальное значения, тогда вы легко сможете понять, как это может повлиять на ваши показания и принять решение.

РЕДАКТИРОВАТЬ - читая комментарии, если вы измеряете температуру почвы и вам нужна только точность 0,5 градуса Цельсия, то я думаю, что что-то вроде DS18B20 , вероятно, будет более подходящим и более простым в использовании, чем PT100. Все в одной маленькой упаковке с 2 или 3 проводами для подключения. Вы также можете приобрести их в удобном водонепроницаемом корпусе на eBay - вот пример .

Оли Глейзер
источник