Imaginemos que me gustaría medir una batería de 12 V con un ADC que tiene un voltaje de referencia mucho menor, como 3 V. Para esta batería, no necesito el rango completo, sino solo de 10 a 12 V (por lo que el valor ADC 0 podría ser 10 V). Si uso un simple divisor de voltaje, mediré todo el rango de voltaje, también por debajo de 10 V. ¿Existe un circuito de configuración de amplificador operacional que se pueda utilizar para obtener esta funcionalidad?
Respuestas
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Debería funcionar.
simular este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab
R1 y R2 dividen la tensión de entrada en un factor de aproximadamente 1/4 (0.2492) para obtener la tensión X. X = 2.492V cuando +12V_BAT es 10V. X = 2.991V cuando +12V_BAT es 12V.
La diferencia entre X y 3V_REF se amplifica por un factor de aproximadamente 5.9.
La ecuación general para la salida es...
VOUT = 3V - (3V - V_BAT * 0.2492) * 5.9.
Puedes, por supuesto, escalar las resistencias por algún factor para reducir la corriente si es necesario. Además, recomendaría usar resistencias del 0.1%.
MATEMÁTICAS DETALLADAS:
La ecuación para el circuito es...
VOUT = REF - (REF - G1 * VIN) * G2
Donde...
G1 = R2 / (R2 + R1)
G2 = R4 / R10
REF es la tensión de referencia de 3V.
Para resolver G1 primero elegimos una tensión de entrada máxima (llamémosla VIN1) para la cual la salida = REF. Esto conduce a la siguiente ecuación...
REF = REF - (REF - G1 * VIN1) * G2
Rearreglando y resolviendo para G1 da....
G1= REF / VIN1
En tu caso, VIN1 = 12V y REF = 3V, entonces G1 = 3V / 12V = 1/4. Elegir R1 = 100K y R2 = 33.2K da esta proporción (0.2492).
Sabiendo G1 ahora podemos resolver para G2. Para hacerlo, elegimos alguna tensión de entrada mínima (llamémosla Vin2) para la cual queremos que la salida sea 0V. Esto conduce a la siguiente ecuación...
0V = REF - (REF - G1 * VIN2) * G2
Rearreglando y resolviendo para G2 da....
G2 = REF /(REF - G1 * VIN2)
En tu caso REF = 3V, VIN2 = 10V, y G1 = 0.2492.
Por lo tanto, G2 = 3V / (3V - 10V * 0.2492) = 5.911.
Elegir R10 = 10K y R4 = 59K da el G2 requerido (5.90).
Arpan Shah
Puntos
1
Sí. Con una configuración de amplificador diferencial de ganancia unitaria, puedes restar un voltaje de CD como 10 Vdc de la señal de entrada variable. Esto traduciría el rango de señal de entrada de 10 V - a - 12 V a un rango de señal de salida de 0 V - a - 2 V.
Sin embargo, debes prestar atención a las características de funcionamiento del amplificador operacional, especialmente sus rangos de voltaje de entrada y salida operativos. Por ejemplo, incluso una etapa de salida "rail-to-rail" no llegará a 0.00 V cuando sea necesario.
¿Qué fuentes de energía están disponibles para el circuito? Si hay una fuente de voltaje negativo disponible, entonces puedes obtener una salida de 0.00 V verdadera si es necesario. Si puedes tolerar un poco de no linealidad en el extremo inferior del rango de salida, entonces muchos amplificadores operacionales pueden funcionar con un voltaje de suministro único.
Para evitar posibles problemas con el extremo alto del rango de señal de entrada estando demasiado cerca del rail de alimentación, atenuaría la entrada en un 50% y usaría una referencia de voltaje de precisión para producir el voltaje de compensación de 5.0 V.
