Low Power Design - Spannungsteiler mit Transistor ausschalten?

Ich habe eine sehr einfache Spannungsteilerschaltung zum Messen des Widerstands eines Platin-100-Ohm-Widerstands.

Ich möchte in der Lage sein, die Spannungsteilerschaltung von der Stromversorgung abzuschalten, um Strom zu sparen.

Ist das möglich?

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

Was Sie vorschlagen, ist möglich, aber Sie müssen sich einiger Fallstricke bewusst sein. Das größte Problem ist, dass der Transistor die Messung nicht verzerrt. Sie haben keine Genauigkeitsanforderungen angegeben, aber sagen wir, es ist ein 10-Bit-A / D, und Sie möchten nicht, dass der Transistor mehr als 1 Fehleranzahl hinzufügt. Auf der 3,3-V-Skala beträgt eine Zählung eines 10-Bit-A / D 3,2 mV. Bei gleichen zwei Widerständen kann der Transistor daher nicht mehr als 6,5 mV abfallen. Das schließt einen Bipolartransistor völlig aus.

AP-Kanal-FET kann dies tun. Wenn Sie möchten, dass der Transistor nicht mehr als 0,1% Fehler hinzufügt, muss er unter 200 mΩ liegen, wenn die beiden Widerstände gleich sind, und im schlimmsten Fall die Hälfte davon.

Es können 100-mΩ-P-Kanal-FETs gefunden werden, aber N-Kanal-FETs sind zahlreicher und weisen bessere Eigenschaften auf, insbesondere bei diesen niedrigen Spannungen. Ich würde stattdessen einen N-Kanal-Low-Side-Schalter verwenden:

Der IRLML2502 hat eine Garantie von maximal 80 mΩ bei nur 2,5-V-Gate-Ansteuerung und fügt daher nur sehr wenige Fehler hinzu. Wenn ein viel geringerer Fehler erforderlich ist, können Sie zusätzlich zum Spannungsteiler den Boden von R2 messen und dann den Abfall über den Schalter in der Firmware berücksichtigen.

Hinzugefügt:

Sie haben die Frage jetzt geändert, indem Sie gesagt haben, dass Sie wirklich eine Brückenschaltung verwenden. Dies war sinnvoll, wenn die Messung mit einem analogen Messgerät angezeigt werden sollte, ist jedoch bei Verwendung eines modernen Mikrocontrollers nicht erforderlich. Mit einem normalen Mikrocontroller-A / D haben Sie bereits eine Brücke, da das A / D-Ergebnis ratiometrisch zum Stromversorgungsbereich ist. Tatsächlich ist die andere Seite der Brücke in das Mikro eingebaut. Die Verwendung einer anderen externen Brücke und eines zweiten A / D-Eingangs führt nur zu Fehlern. Wenn Sie mit einer Spannungsgenauigkeit von 0,1% aus dem Teiler in Ordnung sind, verwenden Sie einfach die obige Schaltung.

Einige Mikrocontroller haben eine separate negative A / D-Spannungsreferenzleitung. Dies wird beispielsweise als Vrefon Microchip PIC-Leitung bezeichnet. Sie können Vref- von der Unterseite von R2 aus ansteuern, um die Spannung über Q1 zu ignorieren. Überprüfen Sie jedoch den gültigen Bereich des Vref-Pins. Dies darf nicht so hoch wie Vdd sein. Dies ist tatsächlich ein Fall, in dem Sie möglicherweise die absolute maximale Bewertung anstelle der Betriebswerte verwenden können. Wenn der Sensorkreis ausgeschaltet ist, ist es nur wichtig, dass der A / D nicht beschädigt wird und nicht ordnungsgemäß funktioniert. Wenn Sie den A / D für andere Zwecke verwenden, funktioniert dieses Schema natürlich nicht.

Mehr zu Brücken:

Es wurde vorgeschlagen, dass eine "Brücken" -Schaltung in diesem Fall besser ist und jede durch Q1 in der obigen Schaltung abfallende Spannung aufheben würde. Dies ist nicht der Fall, zumindest nicht bei meiner Interpretation der "Brücken" -Schaltung. Ich denke, dass die Brücke so verbunden werden soll:

R1 ist der zu messende variable Widerstandssensor. R2, R3 und R4 sind Festwiderstände mit bekannten Werten. SW1 ist der Schalter, mit dem dieser Stromkreis ausgeschaltet wird, wenn er nicht verwendet wird, um Strom zu sparen. Wenn eine Messung durchgeführt wird, ist SW1 geschlossen. In diesem Schema wird angenommen, dass SW1 ein perfekter Schalter ist, wobei R5 separat gezeigt wird, um seinen Einschaltwiderstand darzustellen.

Der Punkt einer Brückenschaltung besteht darin, eine Differenzspannung zwischen V1 und V2 bereitzustellen. Dies war bei alten analogen Messgeräten nützlich, wenn das Messgerät einen erheblichen Strom benötigte und direkt zwischen V1 und V2 angeschlossen werden konnte. Beachten Sie, dass die Spannung V1-V2 immer noch proportional zu Vdd ist. Diese Schaltung ist nichtunabhängig von Vdd und daher nicht unabhängig von offensichtlichen Fehlern in der Versorgungsspannung, die durch den Strom durch R5 verursacht werden. Brückenschaltungen sind nur in einem Fall unabhängig von Vdd, und dann ist V1-V2 Null. Aus diesem Grund kombinierten alte analoge Messgeräte, die Brückenschaltungen verwendeten, diese mit einer präzise kalibrierten Variablen R3. Sie würden die auf dem Messgerät angezeigte Messung von V1-V2 nicht als direkte Messung verwenden, sondern als Rückmeldung der Einstellung von R3, sodass V1-V2 Null ist. In diesem singulären Fall spielt Vdd dann keine Rolle und auch nicht die Impedanz des Messgeräts zwischen V1 und V2.

Was wir heute hier mit Mikrocontroller-A / D-Eingängen haben, ist ein ganz anderer Fall. Diese A / Ds sind nicht für die Differenzialmessung eingerichtet, und wir haben ohnehin keine kalibrierte zuverlässige Methode zur Variation von R3. Wir können jedoch ziemlich genaue Spannungsmessungen durchführen , die sich auf den Bereich von GND bis Vdd beziehen .

Wenn R5 0 wäre, würde die Spannung an V1 ein Verhältnis von Vdd haben, das nur von R1 abhängt. Da sowohl die Sensorschaltung als auch der A / D im Mikrocontroller die Spannung relativ zum Bereich von GND bis Vdd erzeugen und messen, wird der genaue Wert dieses Bereichs aufgehoben.

Das einzige Problem ist, wenn R5 ungleich Null ist und über einen bestimmten Bereich unbekannt ist. Dies fügt V1 einen unbekannten Fehler hinzu, selbst wenn er relativ zum Vdd-Bereich betrachtet wird. Tatsächlich erzeugt der Sensor eine Spannung, die einen festen Bruchteil des Bereichs von Vlow bis Vdd ausmacht, während das Mikro sie als festen Bruchteil von GND bis Vdd misst. Der einfachste Weg, damit umzugehen, besteht darin, sicherzustellen, dass Vlow ein ausreichend kleiner Bruchteil von Vdd ist, damit dieser Fehler ignoriert werden kann.

Der Vorschlag, eine Brückenschaltung zu verwenden, ist offensichtlich so, dass durch Messen von V1 und V2 dieser Fehler aufgehoben werden kann. Wenn R3 und R4 bekannt sind, ist V2 eine direkte Funktion von Vlow, wird jedoch durch den Teiler R4, R3 gedämpft. Mit hoher Präzision konnte V2 gemessen, Vlow abgeleitet und das Ergebnis zur Korrektur des V1-Messwerts verwendet werden. Der Teiler R4, R3 hat jedoch keinen Vorteil. Wenn Sie Vlow korrigieren müssen, messen Sie es am besten direkt. In keinem Fall ist die Messung von V2 besser als die direkte Messung von Vlow . Da wir Vlow besser messen können und daher kein V2 benötigen, macht es keinen Sinn, V2 zu produzieren. R3 und R4 können daher eliminiert werden, so dass nichts übrig bleibt, was als "Brücken" -Schaltung bezeichnet werden könnte.

Die Frage zeigt einen einfachen Widerstandsspannungsteiler, aber in Kommentaren sagen Sie, dass Sie eine Wheatstone-Brücke verwenden.

R5 ist der Widerstand der Schaltkomponente. Die Messungen für beide Einstellungen werden von R5 beeinflusst. Für den Widerstandsteiler:

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

und es ist klar, dass ein höherer R5 V1 erhöht. Für die Wheatstone-Brücke haben wir:

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

wo

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

So ändert sich auch der Wheatstone-Bridge-Ausgang, wenn VLOW> 0. Wenn Sie die Differenz berücksichtigen, wird VLOW nicht aufgehoben! , außer in der trivialen Situation, in der V1 = V2 ist.

$\Omega$$\Omega$$\Omega$

$\Omega$$\Omega$$\Omega$

$\mathrm{R_{DS(ON)}}$$\Omega$$\Omega$ $\mathrm{R_{DS(ON)}}$

$\mathrm{R_{DS(ON)}}$$\Omega$

(schematische Bilder wieder von Olin entlehnt. Danke, Olin)

Wenn Sie bereits eine Wheatstone-Brücke verwenden (wie Sie im Kommentar sagen), ist es in Ordnung, einen MOSFET-Schalter zu verwenden, da dieser nur die Gleichtaktspannung und nicht das Signal beeinflusst. Stellen Sie einfach sicher, dass sich dies nicht auf Ihre eventuelle Offset-Nullung auswirkt.

Die Schaltung soll so etwas wie dies :

Natürlich ist es möglich.

$r_{DS}$$r_{DS}$

Nun kommt die Frage: Warum messen Sie einen Widerstand mit einem Spannungsteiler? Mit einer Wheatstone-Brücke können Sie eine bessere Genauigkeit erzielen (und auch einen MOSFET-Schalter ohne Genauigkeitsverlust verwenden) .

Noch eine Randnotiz: Es ist besser, einen Verstärker zu verwenden, bevor das Ausgangssignal an den ADC gesendet wird, da Sie sonst den Dynamikbereich des Signals stark einschränken und an Genauigkeit verlieren. Nur ein nicht invertierender Verstärker mit einem Präzisions-Opamp (nicht 741 :)), Rail-to-Rail, wenn Sie die doppelte Versorgung vermeiden möchten.

Ja, es ist möglich - Sie können einen P-Kanal-MOSFET mit Source zu Vdd, Drain zu Divider und Gate zu uC verwenden oder mit was auch immer Sie ihn steuern möchten. Auch ein Pullup-Widerstand vom Gate zur Source (z. B. 10K)
Zum Einschalten ziehen Sie das Gate einfach nach Masse, um es auszuschalten, lassen Sie es schweben (setzen Sie den uC-Pin auf Hi-Z).

Wie bereits erwähnt, ist dies je nach der von Ihnen angestrebten Genauigkeit möglicherweise nicht der richtige Weg. Es ist sicherlich nicht das genaueste, aber wenn Sie sich nicht zu sehr darum kümmern, ist es das einfachste.
Wenn Sie einen MOSFET mit niedrigen Rds auswählen und die Min / Max-Werte überprüfen, können Sie leicht herausfinden, wie sich dies auf Ihre Messwerte auswirken kann, und entscheiden.

BEARBEITEN - Lesen Sie die Kommentare. Wenn Sie die Bodentemperatur messen und nur eine Genauigkeit von 0,5 ° C benötigen, ist der DS18B20 wahrscheinlich besser geeignet und einfacher zu verwenden als ein PT100. Alles in einem kleinen Paket mit 2 oder 3 Drähten zum Anschließen. Sie können sie auch in einem praktischen wasserdichten Gehäuse bei eBay erhalten - hier ein Beispiel .