Diseño de baja potencia - interruptor de voltaje de salida del divisor utilizando transistor?

Question

Tengo una muy simple divisor de voltaje de circuito para la medición de la resistencia de platino de 100 Ohmios de resistencia.

Quiero ser capaz de cambiar el divisor de voltaje del circuito de la fuente de alimentación con el fin de ahorrar energía.

Es esto posible?

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

Answer 1

Lo que sugiero es posible, pero tienes que ser consciente de algunas trampas. El mayor problema es que el transistor para no distorsionar la medición. Usted no dio con los requisitos de precisión, pero digamos que es un 10 bits a/D y usted no desea que el transistor para agregar más de 1 recuento de error. En los 3.3 V de la escala, un cargo de 10 bits A/D es de 3.2 mV. Con las dos resistencias iguales, el transistor por lo tanto no se puede soltar más de 6.5 mV. Totalmente a las normas de un transistor bipolar.

Un P canal de FET puede hacer esto. De nuevo, si desea que el transistor para no agregar más de .1% de error debe ser menor que 200 mΩ cuando las dos resistencias son iguales, y la mitad que en el peor de los casos.

100 mΩ P Fet de canal se pueden encontrar, pero N canal de los Fet son más abundantes y tienen mejores características, especialmente en estos voltajes bajos. Me gustaría utilizar un N canal de baja el interruptor lateral en su lugar:

El IRLML2502 está garantizada a 80 mΩ máx a sólo 2,5 V puerta de la unidad, por lo que se añade muy poco error. Si mucho menor error es necesario, a continuación, se puede medir la parte inferior de R2, además del divisor de tensión y, a continuación, la caída en el interruptor puede ser explicada en el firmware.

Añadió:

Ahora han cambiado la pregunta diciendo que realmente están utilizando un circuito de puente. Esto tenía sentido cuando la medición fue a mostrarse con un medidor analógico movimiento, pero es innecesario cuando el uso de un moderno microcontrolador. Con un normal del microcontrolador A/D que usted ya tiene un puente ya que el a/D resultado es proporcional a la fuente de alimentación de la gama. En efecto, al otro lado del puente está integrado en el micro. El uso de otro externo puente y una segunda entrada a/D sólo agregar error. Si estás bien con .1% precisión de tensión que viene del divisor, entonces utilice el circuito anterior.

Algunos microcontroladores negativo independiente A/D referencia de voltaje de línea. Esto se llama Vref - en PIC de Microchip de la línea, por ejemplo. Usted podría conducir Vref - desde el fondo de R2 a ignorar el voltaje a través de la Q1. Sin embargo, compruebe el rango válido de la Vref - pin. Esto no puede ser permitido a ir tan alto como Vdd. Esto es en realidad un caso en el que usted puede ser capaz de utilizar la máxima calificación en lugar de los valores de funcionamiento. Cuando el circuito del sensor está desactivado, sólo cuidado de que el A/D no ser dañado, no que no funcione correctamente. Por supuesto, si usted está utilizando el A/D para otras cosas, este esquema no funciona.

Más en los puentes:

Se ha sugerido que un "puente" circuito es mejor en este caso y anularía cualquier caída de voltaje por Q1 en el circuito anterior. Este no es el caso, al menos no con mi interpretación de "puente" del circuito. Aquí es lo que yo pienso que el puente está diseñado para ser conectado:

R1 es la resistencia variable del sensor está midiendo. R2, R3, y R4 son resistores fijos con valores conocidos. SW1 se utiliza el conmutador para activar este circuito cuando no está en uso para ahorrar energía. Cuando la medición se toma, SW1 está cerrado. En este esquema, el SW1 se supone que para ser un perfecto interruptor con R5 se muestra por separado para representar a su resistencia.

El punto de un circuito de puente es proporcionar un diferencial de voltaje entre V1 y V2. Esto fue útil en el viejo medidores analógicos cuando el medidor requiere importantes de la actualidad y puede ser conectada directamente entre V1 y V2. Tenga en cuenta que el voltaje V1-V2 es todavía proporcional a Vdd. Este circuito es que no es independiente de Vdd, y por lo tanto no es independiente de la aparente error en la tensión de alimentación, provocada por la actual thru R5. Puente de los circuitos independientes de Vdd sólo en un caso, y que es cuando V1-V2 es igual a cero. Esta es la razón por la edad medidores analógicos que utilizan el puente de los circuitos combinados con una precisión calibrada de la variable de R3. Usted no se utilice la medición de V1-V2 mostrado en el medidor como una medición directa, sino más bien como la retroalimentación de la configuración de R3 tales que V1-V2 era cero. En ese caso singular, la Vdd no importa, y tampoco la impedancia del medidor entre V1 y V2.

Lo que tenemos aquí hoy con el microcontrolador entradas a/D está completamente diferentes. Estas Ds no están configurados para la medición diferencial, y no tenemos un calibrado de una forma confiable de diferentes R3 de todos modos. Sin embargo, podemos hacer bastante precisa de las mediciones de voltaje relativo a la toma de TIERRA de Vdd gama.

Si R5 fueron 0, entonces el voltaje en V1 sería una relación de Vdd que sólo depende de R1. Dado que tanto el circuito del sensor y el A/D del microcontrolador producir y medir la tensión en relación a la MASA de Vdd rango, el valor exacto de ese rango cancela.

El único problema es cuando R5 no es cero y desconocido a través de algunas gama. Esto agrega un error desconocido a la V1, incluso cuando se la considera en relación con la Vdd gama. En efecto, el sensor está produciendo un voltaje fijo de una fracción de la Vlow de Vdd gama, mientras que el micro es la medición como una fracción fija de GND a Vdd. La forma más sencilla de lidiar con esto es para garantizar que Vlow es suficientemente pequeña fracción de Vdd que este error puede ser ignorado.

La sugerencia de utilizar un circuito de puente es, aparentemente, por lo que la medición de V1 y V2 permite que este error se cancela. Si R3 y R4 son bien conocidos, luego la V2 es una función directa de Vlow, pero atenuada por la R4,R3 divisor. Con la alta precisión, V2 podría ser medido, Vlow infiere, y el resultado se utiliza para corregir la V1 de la lectura. Sin embargo, no hay ninguna ventaja para el R4,R3 divisor. Si usted necesita para corregir Vlow, lo mejor es medir directamente. En ningún caso es la medición de la V2 mejor que la medición de Vlow directamente. Ya que estamos mejor medición de Vlow y por lo tanto no tienen necesidad de V2, no hay ningún punto en la producción de V2. R3 y R4 por lo tanto puede ser eliminado, dejando nada de lo que podría ser llamado un "puente" del circuito.

Answer 2

Sí, es posible - se puede utilizar un P-MOSFET de canal con la fuente de Vdd, drenaje y divisor puerta a la uC o lo que usted desea controlar. También una resistencia pull-up de la compuerta a la fuente (es decir 10K)
A continuación, para activar simplemente tire de la puerta hacia la tierra, para apagar dejar que flote (set pin de la uC para Hi-Z)

Como se señaló, dependiendo de qué tipo de exactitud que usted está apuntando para este no puede ser el camino a seguir. Ciertamente, no es la más exacta, pero si usted no está demasiado preocupado acerca de este, a continuación, es la más sencilla.
Si selecciona un MOSFET con baja Rds y verificación de la min/max, entonces usted puede fácilmente averiguar cómo puede afectar a sus lecturas y a decidir.

EDICIÓN - la lectura de los comentarios, si usted está midiendo la temperatura del suelo y sólo necesita de 0,5 ° C precisión, a continuación, creo, algo así como el DS18B20 probablemente sería más conveniente y más fácil de usar que una PT100. Todo-en-uno pequeño paquete con 2 o 3 cables para conectar. También se pueden obtener en un cómodo revestimiento impermeable en eBay - he aquí un ejemplo.

Answer 3

La pregunta muestra un simple resistor divisor de voltaje, pero en los comentarios dicen que usted está usando un puente de Wheatstone.

R5 es la resistencia de los componentes de conmutación. Las mediciones para ambas configuraciones se verá influenciado por la R5. Para el divisor de resistencia:

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

y es claro que una mayor R5 aumentará V1. Para el puente de Wheatstone tenemos:

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

donde

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

Así también el puente de Wheatstone de salida cambia cuando VLOW > 0. Tomando la diferencia no anula VLOW!, excepto en el trivial de la situación en la que V1 = V2.

Si R1 es un Pt100 RTD (Detectores de Temperatura de Resistencia), que tiene una resistencia de 100.0 \$\Omega\$ a 0 °C, y 138.5 \$\Omega\$ a 100 °C. se asume que el rango de medición requerido. Si el otro resistencias en el puente de 100 \$\Omega\$ de la tensión de salida será de 0 V a 0 °C, y la más alta a 100 °C. se puede esperar que el error debido a la R5 a ser mayor a 100 °C.

El gráfico muestra el error de lectura en % debido a un R5 resistencia variable de 0 \$\Omega\$ 1 \$\Omega\$. La púrpura gráfico es para el divisor de resistencia, el azul de la gráfica para el puente de Wheatstone. Wheatstone tiene una mayor error! Esto puede ser sorprendente, a primera vista, pero puede ser fácilmente explicado: las dos ramas de la puente de reducir a la mitad el 200 \$\Omega\$ de una rama, como el divisor tiene uno. Eso significa que VLOW para el puente va a ser el doble.

El gráfico muestra el error en el voltaje de salida de la lectura, tenemos que calcular el nuevo valor de la temperatura. Esta FET tiene una \$\mathrm{R_{DS(ON)}}\$ de 90 m\$\Omega\$ máximo. Si calculamos nuestro 100 °C la lectura hacia atrás como si la resistencia fueron de cero, lo que nos iba a llegar 99.90 °C. Con este FET, con un 22 m\$\Omega\$ \$\mathrm{R_{DS(ON)}}\$ nuestra lectura sería el 99,97 °C.

Conclusión
La resistencia del interruptor influye en la lectura, pero será menos del 0,1% cuando se utiliza un FET con \$\mathrm{R_{DS(ON)}}\$ < 100 m\$\Omega\$.

(esquemático imágenes sacadas de nuevo de Olin. Gracias, Olin)

Answer 4

Si ya utiliza un puente de Wheatstone (como dices en el comentario), entonces está bien usar un MOSFET interruptor, ya que esto solo va a afectar el voltaje de modo común, y no la señal. Sólo asegúrese de que no afecte a su eventual desplazamiento de la reducción a cero.

El circuito debe ser algo como esto:

---

Por supuesto que es posible.

Pero seguramente no será apropiado para un circuito de medición. Dependiendo de la \$r_{DS}\$ de su MOSFET, usted tendrá una significativa pérdida de precisión. Considere la posibilidad de que el \$r_{DS}\$ no es estable ni valor exacto, y es más a menudo se especifica como un valor máximo.

Ahora viene la pregunta: ¿por qué el uso de un divisor de voltaje para medir una resistencia? Se podría lograr una mejor precisión (y también ser capaz de utilizar un MOSFET interruptor sin pérdida de precisión) con un puente de Wheatstone.

Otra nota al margen: es mejor usar un amplificador antes de enviar la señal de salida del ADC, de lo contrario se limitan en gran medida el rango dinámico de la señal, y perder la precisión. Sólo un amplificador no inversor con una precisión del amplificador Operacional (no 741 :)), carril-a-carril si usted desea evitar la doble alimentación.