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

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

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.

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

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

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

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

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

где

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

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 $\Omega$ при 0 ° С и 138,5 $\Omega$при 100 ° С. Мы предполагаем, что это необходимый диапазон измерения. Если все остальные резисторы в мосту все 100$\Omega$выходное 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.

График показывает ошибку чтения в% из-за сопротивления R5, изменяющегося от 0 $\Omega$ до 1 $\Omega$, 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 пополам$\Omega$одной 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 имеет$\mathrm{R_{DS(ON)}}$ 90 м$\Omega$максимум. Если мы вычислим наши показания при 100 ° C, как будто сопротивление равно нулю, мы получим 99,90 ° C. С этим FET , с 22 м$\Omega$ $\mathrm{R_{DS(ON)}}$ наше чтение будет 99,97 ° C.

Заключение
Сопротивление переключателя влияет на показания, но оно будет менее 0,1% при использовании FET с$\mathrm{R_{DS(ON)}}$ <100 м$\Omega$,

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

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 :

Конечно это возможно.

Но, конечно, это не подходит для схемы измерения. В зависимости от$r_{DS}$вашего MOSFET, вы будете иметь значительную потерю точности. Считайте, что$r_{DS}$ 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.

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 .