Desain daya rendah - matikan pembagi tegangan menggunakan transistor?

Saya memiliki sirkuit pembagi tegangan yang sangat sederhana untuk mengukur resistansi resistor 100 Ohm platinum.

Saya ingin dapat mematikan rangkaian pembagi tegangan dari catu daya untuk menghemat daya.

Apakah ini mungkin?

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

Apa yang Anda sarankan itu mungkin, tetapi Anda harus mewaspadai beberapa gotcha. Masalah terbesar adalah agar transistor tidak merusak pengukuran. Anda tidak memberikan persyaratan akurasi, tetapi katakanlah itu adalah 10 bit A / D dan Anda tidak ingin transistor menambah lebih dari 1 hitungan kesalahan. Pada skala 3,3 V, satu hitungan 10 bit A / D adalah 3,2 mV. Dengan dua resistor yang sama, maka transistor tidak dapat turun lebih dari 6,5 mV. Itu sepenuhnya mengesampingkan transistor bipolar.

Saluran AP FET dapat melakukan ini. Sekali lagi, jika Anda ingin transistor tidak menambahkan lebih dari 0,1% kesalahan, maka harus di bawah 200 mΩ ketika dua resistor sama, dan setengahnya dalam kasus terburuk.

FET saluran 100 mΩ P dapat ditemukan, tetapi FET saluran N lebih banyak dan memiliki karakteristik yang lebih baik, terutama pada tegangan rendah ini. Saya akan menggunakan saklar sisi rendah saluran N sebagai gantinya:

IRLML2502 dijamin hingga 80 mΩ maks hanya pada drive gerbang 2,5 V, sehingga akan menambah sedikit kesalahan. Jika kesalahan jauh lebih rendah diperlukan, maka Anda dapat mengukur bagian bawah R2 sebagai tambahan untuk pembagi tegangan dan kemudian drop di saklar dapat diperhitungkan dalam firmware.

Ditambahkan:

Anda sekarang telah mengubah pertanyaan dengan mengatakan Anda benar-benar menggunakan rangkaian jembatan. Ini masuk akal ketika pengukuran akan ditampilkan dengan gerakan meter analog, tetapi tidak perlu saat menggunakan mikrokontroler modern. Dengan A / D mikrokontroler normal, Anda sudah memiliki jembatan karena hasil A / D ratiometrik dengan kisaran catu daya. Efeknya, sisi lain jembatan dibangun ke mikro. Menggunakan jembatan eksternal lain dan input A / D kedua hanya akan menambah kesalahan. Jika Anda baik-baik saja dengan akurasi tegangan 0,1% yang keluar dari pembagi, maka gunakan saja sirkuit di atas.

Beberapa mikrokontroler memiliki jalur referensi tegangan A / D negatif yang terpisah. Ini disebut Vref- on garis Microchip PIC, misalnya. Anda bisa mengendarai Vref- dari bagian bawah R2 untuk mengabaikan tegangan yang melintasi Q1. Namun, periksa rentang Vrefpin yang valid. Ini mungkin tidak diizinkan untuk setinggi Vdd. Ini sebenarnya adalah satu kasus di mana Anda mungkin dapat menggunakan peringkat maksimum absolut alih-alih nilai operasi. Ketika rangkaian sensor mati, Anda hanya peduli bahwa A / D tidak rusak, tidak berfungsi dengan benar. Tentu saja jika Anda menggunakan A / D untuk hal lain, skema ini tidak akan berfungsi.

Lebih lanjut tentang jembatan:

Telah disarankan bahwa rangkaian "jembatan" lebih baik dalam kasus ini dan akan membatalkan tegangan apa pun yang turun oleh Q1 di sirkuit di atas. Ini bukan masalahnya, setidaknya tidak dengan interpretasi saya tentang sirkuit "jembatan". Inilah menurut saya bagaimana jembatan ini dimaksudkan untuk dihubungkan:

R1 adalah sensor resistensi variabel yang sedang diukur. R2, R3, dan R4 adalah resistor tetap dengan nilai yang diketahui. SW1 adalah sakelar yang digunakan untuk mematikan sirkuit ini ketika tidak digunakan untuk menghemat daya. Ketika pengukuran sedang dilakukan, SW1 ditutup. Dalam skema ini, SW1 diasumsikan sebagai saklar sempurna dengan R5 yang ditampilkan secara terpisah untuk mewakili resistensi on-nya.

Titik dari rangkaian jembatan adalah untuk memberikan tegangan diferensial antara V1 dan V2. Ini berguna dalam meter analog lama ketika meter membutuhkan arus signifikan dan dapat langsung dihubungkan antara V1 dan V2. Perhatikan bahwa tegangan V1-V2 masih sebanding dengan Vdd. Sirkuit ini tidakindependen dari Vdd, dan oleh karena itu tidak terlepas dari kesalahan yang tampak dalam tegangan suplai yang disebabkan oleh arus melalui R5. Sirkuit jembatan tidak tergantung pada Vdd hanya dalam satu kasus, dan saat itulah V1-V2 bernilai nol. Inilah sebabnya mengapa meter analog lama yang menggunakan rangkaian jembatan menggabungkannya dengan variabel R3 yang dikalibrasi secara presisi. Anda tidak akan menggunakan pengukuran V1-V2 yang ditampilkan pada meter sebagai pengukuran langsung, tetapi sebagai umpan balik dari pengaturan R3 sehingga V1-V2 adalah nol. Dalam kasus tunggal itu, Vdd kemudian tidak masalah, dan begitu pula impedansi meter antara V1 dan V2.

Apa yang kita miliki di sini hari ini dengan input A / D mikrokontroler adalah kasus yang sama sekali berbeda. A / Ds ini tidak diatur untuk pengukuran diferensial, dan kami tidak memiliki cara yang dapat dikalibrasi untuk memvariasikan R3. Namun, kita dapat membuat pengukuran tegangan yang cukup akurat untuk rentang GND ke Vdd .

Jika R5 adalah 0, maka tegangan pada V1 akan rasio Vdd hanya bergantung pada R1. Karena sirkuit sensor dan A / D dalam mikrokontroler menghasilkan dan mengukur tegangan relatif terhadap rentang GND ke Vdd, nilai yang tepat dari rentang tersebut dibatalkan.

Satu-satunya masalah adalah ketika R5 tidak nol dan tidak diketahui pada beberapa rentang. Ini menambahkan kesalahan yang tidak diketahui ke V1 bahkan ketika itu dianggap relatif terhadap rentang Vdd. Akibatnya sensor menghasilkan tegangan fraksi tetap dari rentang Vlow ke Vdd, sedangkan mikro mengukurnya sebagai fraksi tetap GND ke Vdd. Cara paling sederhana untuk mengatasinya adalah dengan menjamin bahwa Vlow adalah fraksi Vdd yang cukup kecil sehingga kesalahan ini dapat diabaikan.

Saran untuk menggunakan rangkaian jembatan tampaknya sehingga mengukur baik V1 dan V2 memungkinkan kesalahan ini dibatalkan. Jika R3 dan R4 diketahui dengan baik, maka V2 adalah fungsi langsung dari Vlow, tetapi dilemahkan oleh pembagi R4, R3. Dengan presisi tinggi, V2 dapat diukur, Vlow disimpulkan, dan hasilnya digunakan untuk mengoreksi pembacaan V1. Namun, tidak ada keuntungan bagi pembagi R4, R3. Jika Anda perlu mengoreksi Vlow, yang terbaik adalah mengukurnya secara langsung. Dalam kasus apa pun, mengukur V2 lebih baik daripada mengukur Vlow secara langsung. Karena kita lebih baik mengukur Vlow dan karena itu tidak perlu untuk V2, tidak ada gunanya memproduksi V2. R3 dan R4 karenanya dapat dihilangkan, tidak meninggalkan apa pun yang dapat disebut sebagai sirkuit "jembatan".

Pertanyaannya menunjukkan pembagi tegangan resistor sederhana, tetapi dalam komentar Anda mengatakan Anda menggunakan jembatan Wheatstone.

R5 adalah hambatan dari komponen switching. Pengukuran untuk kedua pengaturan akan dipengaruhi oleh R5. Untuk pembagi resistor:

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

dan jelas bahwa R5 yang lebih tinggi akan meningkatkan V1. Untuk jembatan Wheatstone kami memiliki:

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

dimana

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

Demikian juga output jembatan Wheatstone berubah ketika VLOW> 0. Mengambil perbedaan tidak membatalkan VLOW! , kecuali dalam situasi sepele di mana V1 = V2.

Jika R1 adalah Pt100 RTD (Resistance Temperature Detectors), yang memiliki resistansi 100.0 $\Omega$ pada 0 ° C, dan 138,5 $\Omega$pada 100 ° C. Kami mengasumsikan bahwa rentang pengukuran yang diperlukan. Jika resistor lain di jembatan semuanya 100$\Omega$tegangan output akan 0 V pada 0 ° C, dan tertinggi pada 100 ° C. Kita dapat mengharapkan kesalahan karena R5 menjadi yang tertinggi pada 100 ° C.

Grafik menunjukkan kesalahan pembacaan di% karena resistansi R5 bervariasi dari 0 $\Omega$ ke 1 $\Omega$. Grafik ungu untuk pembagi resistor, grafik biru untuk jembatan Wheatstone. Wheatstone memiliki kesalahan yang lebih tinggi! Ini mungkin mengejutkan pada pandangan pertama, tetapi dapat dengan mudah dijelaskan: dua cabang jembatan membagi dua 200$\Omega$dari satu cabang, seperti pembagi memiliki satu. Itu berarti VLOW untuk jembatan akan dua kali lebih tinggi.

Grafik menunjukkan kesalahan dalam pembacaan tegangan output, kita harus menghitungnya kembali ke nilai suhu. FET ini memiliki$\mathrm{R_{DS(ON)}}$ dari 90 m$\Omega$maksimum. Jika kita menghitung pembacaan 100 ° C kita seolah-olah perlawanannya nol, kita akan mendapatkan 99,90 ° C. Dengan FET ini , dengan 22 m$\Omega$ $\mathrm{R_{DS(ON)}}$ bacaan kita adalah 99,97 ° C.

Kesimpulan
Resistansi sakelar memang memengaruhi pembacaan, tetapi akan kurang dari 0,1% saat Anda menggunakan FET dengan$\mathrm{R_{DS(ON)}}$ <100 m$\Omega$.

(Gambar skematik dipinjam lagi dari Olin. Terima kasih, Olin)

Jika Anda sudah menggunakan jembatan Wheatstone (seperti yang Anda katakan di komentar), maka boleh saja menggunakan sakelar MOSFET, karena itu hanya akan mempengaruhi tegangan mode umum, dan bukan sinyal. Pastikan saja bahwa itu tidak memengaruhi zeroing offset Anda.

Rangkaian harus seperti ini :

Tentu saja itu mungkin.

Tapi tentunya itu tidak akan sesuai untuk rangkaian pengukuran. Tergantung pada$r_{DS}$MOSFET Anda, Anda akan kehilangan akurasi yang signifikan. Anggap itu sebagai$r_{DS}$ bukan nilai yang stabil atau akurat, dan ini paling sering ditentukan sebagai nilai maksimum.

Sekarang muncul pertanyaan: mengapa Anda menggunakan pembagi tegangan untuk mengukur resistor? Anda dapat mencapai akurasi yang lebih baik (dan juga dapat menggunakan sakelar MOSFET tanpa kehilangan keakuratan) dengan jembatan Wheatstone .

Catatan lain: lebih baik menggunakan amplifier sebelum mengirim sinyal output ke ADC, jika tidak, Anda akan sangat membatasi rentang dinamis sinyal, dan kehilangan keakuratan. Hanya amplifier non-pembalik dengan Opamp presisi (bukan 741 :)), rail-to-rail jika Anda ingin menghindari pasokan ganda.

Ya, itu mungkin - Anda dapat menggunakan MOSFET P-channel dengan sumber ke Vdd, tiriskan ke pembagi dan gerbang ke UC atau apa pun yang ingin Anda kendalikan. Juga resistor pullup dari gerbang ke sumber (katakanlah 10K)
Kemudian untuk menghidupkan tarik saja gerbang ke tanah, untuk mematikan biarkan mengambang (atur pin uC ke Hi-Z)

Seperti yang disebutkan, tergantung pada keakuratan seperti apa yang Anda tuju ini mungkin bukan jalan yang harus ditempuh. Ini tentu bukan yang paling akurat, tetapi jika Anda tidak terlalu peduli tentang ini maka itu adalah yang paling sederhana.
Jika Anda memilih MOSFET dengan RDS rendah dan memeriksa min / maks, maka Anda dapat dengan mudah mengetahui bagaimana hal itu dapat mempengaruhi pembacaan Anda dan memutuskan.

EDIT - membaca komentar, jika Anda mengukur suhu tanah dan hanya membutuhkan akurasi 0,5 derajat C maka saya pikir sesuatu seperti DS18B20 mungkin akan lebih cocok dan lebih mudah digunakan daripada PT100. Semuanya ada dalam satu paket kecil dengan 2 atau 3 kabel untuk dihubungkan. Anda juga bisa mendapatkannya di casing anti air yang nyaman di eBay - berikut ini contohnya .