Projeto de baixa potência - alternar divisor de tensão usando transistor?

Eu tenho um circuito divisor de tensão muito simples para medir a resistência de um resistor de platina de 100 Ohm.

Quero poder desligar o circuito divisor de tensão da fonte de alimentação para economizar energia.

Isso é possível?

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

O que você sugere é possível, mas você deve estar ciente de algumas dicas. O maior problema é o transistor não distorcer a medição. Você não forneceu nenhum requisito de precisão, mas digamos que seja um A / D de 10 bits e você não deseja que o transistor adicione mais de uma contagem de erros. Na escala de 3,3 V, uma contagem de 10 bits A / D é de 3,2 mV. Com os dois resistores iguais, o transistor não pode cair mais de 6,5 mV. Isso descarta completamente um transistor bipolar.

O canal AP FET pode fazer isso. Novamente, se você deseja que o transistor não adicione mais de 0,1% de erro, ele precisa estar abaixo de 200 mΩ quando os dois resistores forem iguais e metade no pior dos casos.

FETs de canal de 100 mΩ P podem ser encontrados, mas os FETs de canal N são mais abundantes e têm melhores características, especialmente nessas baixas tensões. Eu usaria um comutador lateral baixo de canal N:

O IRLML2502 é garantido em 80 mΩ no máximo em apenas 2,5 V gate drive, portanto, adicionará muito pouco erro. Se um erro muito menor for necessário, você poderá medir a parte inferior do R2, além do divisor de tensão, e a queda do comutador poderá ser contabilizada no firmware.

Adicionado:

Agora você mudou a pergunta dizendo que realmente está usando um circuito em ponte. Isso fazia sentido quando a medição era exibida com um movimento analógico do medidor, mas é desnecessário ao usar um microcontrolador moderno. Com um microcontrolador normal A / D, você já possui uma ponte, pois o resultado A / D é ratiométrico para a faixa da fonte de alimentação. Com efeito, o outro lado da ponte está embutido no micro. O uso de outra ponte externa e uma segunda entrada A / D adicionará apenas erro. Se você estiver bem com a precisão de 0,1% da tensão saindo do divisor, use o circuito acima.

Alguns microcontroladores possuem uma linha de referência de tensão A / D negativa separada. Isso se chama Vref- on Microchip PIC line, por exemplo. Você pode conduzir Vref- na parte inferior do R2 para ignorar a tensão em Q1. No entanto, verifique o intervalo válido do Vrefpin. Isso pode não ter permissão para ir tão alto quanto Vdd. Este é realmente um caso em que você pode usar a classificação máxima absoluta em vez dos valores operacionais. Quando o circuito do sensor está desligado, você apenas cuida para que o A / D não seja danificado, e que não funcione corretamente. Obviamente, se você estiver usando o A / D para outras coisas, esse esquema não funcionará.

Mais sobre pontes:

Foi sugerido que um circuito em "ponte" seja melhor nesse caso e cancelaria qualquer voltagem reduzida em Q1 no circuito acima. Este não é o caso, pelo menos não com a minha interpretação do circuito "bridge". Aqui está como eu acho que a ponte deve ser conectada:

R1 é o sensor de resistência variável sendo medido. R2, R3 e R4 são resistores fixos com valores conhecidos. SW1 é o interruptor usado para desligar este circuito quando não estiver em uso para economizar energia. Quando uma medição está sendo realizada, o SW1 é fechado. Neste esquema, supõe-se que o SW1 seja um comutador perfeito com R5 mostrado separadamente para representar sua resistência.

O objetivo de um circuito de ponte é fornecer uma tensão diferencial entre V1 e V2. Isso foi útil em medidores analógicos antigos quando o medidor exigia corrente significativa e podia ser conectado diretamente entre V1 e V2. Observe que a tensão V1-V2 ainda é proporcional a Vdd. Este circuito não éindependente de Vdd e, portanto, não independente de aparente erro na tensão de alimentação causada pela corrente através de R5. Os circuitos de ponte são independentes de Vdd em apenas um caso, e é quando V1-V2 é zero. É por isso que os medidores analógicos antigos que usavam circuitos em ponte os combinavam com uma variável R3 calibrada com precisão. Você não usaria a medida de V1-V2 exibida no medidor como uma medida direta, mas como feedback da configuração R3, de modo que V1-V2 fosse zero. Nesse caso singular, Vdd então não importa, nem a impedância do medidor entre V1 e V2.

O que temos aqui hoje com entradas A / D de microcontrolador é um caso totalmente diferente. Esses A / Ds não estão configurados para medição diferencial e, de qualquer maneira, não temos uma maneira confiável e calibrada de variar R3. No entanto, podemos fazer medições de tensão razoavelmente precisas, realísticas à faixa de GND a Vdd .

Se R5 fosse 0, a tensão em V1 seria uma razão de Vdd dependente apenas de R1. Como o circuito do sensor e o A / D no microcontrolador produzem e medem a tensão relativa à faixa de GND a Vdd, o valor exato dessa faixa é cancelado.

O único problema é quando R5 é diferente de zero e desconhecido em algum intervalo. Isso adiciona um erro desconhecido à V1, mesmo quando considerado em relação ao intervalo de Vdd. De fato, o sensor está produzindo uma tensão em uma fração fixa da faixa de Vlow para Vdd, enquanto o micro a mede como uma fração fixa de GND para Vdd. A maneira mais simples de lidar com isso é garantir que o Vlow seja uma fração suficientemente pequena do Vdd, para que esse erro possa ser ignorado.

A sugestão de usar um circuito de ponte é aparentemente para que a medição de V1 e V2 permita que esse erro seja cancelado. Se R3 e R4 são bem conhecidos, o V2 ​​é uma função direta do Vlow, mas atenuado pelo divisor R4, R3. Com alta precisão, V2 pode ser medido, deduziu Vlow, e o resultado usado para corrigir a leitura de V1. No entanto, não há vantagem para o divisor R4, R3. Se você precisar corrigir o Vlow, é melhor medi-lo diretamente. Em nenhum caso a medição de V2 é melhor do que a medição direta de Vlow . Como estamos melhor medindo o Vlow e, portanto, não precisamos do V2, não faz sentido produzir o V2. Portanto, R3 e R4 podem ser eliminados, deixando nada que pudesse ser chamado de circuito "ponte".

A pergunta mostra um divisor de tensão do resistor simples, mas nos comentários você diz que está usando uma ponte de Wheatstone.

R5 é a resistência do componente de comutação. As medições para as duas configurações serão influenciadas pelo R5. Para o divisor do resistor:

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

e está claro que um R5 maior aumentará V1. Para a ponte Wheatstone, temos:

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

Onde

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

Da mesma forma, a saída da ponte Wheatstone muda quando VLOW> 0. A diferença não cancela o VLOW! , exceto na situação trivial em que V1 = V2.

Se R1 for um RTD Pt100 (Detectores de temperatura de resistência), que possui uma resistência de 100,0 $\Omega$ a 0 ° C e 138,5 $\Omega$a 100 ° C. Assumimos que essa é a faixa de medição necessária. Se os outros resistores na ponte forem todos 100$\Omega$a tensão de saída será de 0 V a 0 ° C e a mais alta a 100 ° C. Podemos esperar que o erro devido ao R5 seja o mais alto a 100 ° C.

O gráfico mostra o erro de leitura em% devido a uma resistência R5 variando de 0 $\Omega$ para 1 $\Omega$. O gráfico roxo é para o divisor do resistor, o gráfico azul para a ponte Wheatstone. Wheatstone tem um erro maior! Isso pode ser surpreendente à primeira vista, mas pode ser facilmente explicado: os dois galhos da ponte cortam pela metade os 200$\Omega$de um ramo, como o divisor tem um. Isso significa que o VLOW para a ponte será duas vezes mais alto.

O gráfico mostra o erro na leitura da tensão de saída, temos que calcular isso de volta a um valor de temperatura. Este FET tem um$\mathrm{R_{DS(ON)}}$ de 90 m$\Omega$máximo. Se calcularmos nossa leitura de 100 ° C como se a resistência fosse zero, obteríamos 99,90 ° C. Com este FET , com 22 m$\Omega$ $\mathrm{R_{DS(ON)}}$ nossa leitura seria 99,97 ° C.

Conclusão
A resistência do interruptor influencia a leitura, mas será menor que 0,1% quando você usa um FET com$\mathrm{R_{DS(ON)}}$ <100 m$\Omega$.

(imagens esquemáticas emprestadas novamente de Olin. Obrigado, Olin)

Se você já usa uma ponte Wheatstone (como você diz no comentário), não há problema em usar uma chave MOSFET, pois ela afetará apenas a tensão do modo comum, e não o sinal. Apenas certifique-se de que isso não afeta seu zeramento de deslocamento eventual.

O circuito deve ser algo como isto :

Claro que é possível.

Mas certamente não será apropriado para um circuito de medição. Dependendo do$r_{DS}$do seu MOSFET, você terá uma perda de precisão significativa. Considere que o$r_{DS}$ não é um valor estável nem preciso, e geralmente é especificado como um valor máximo.

Agora vem a pergunta: por que você usa um divisor de tensão para medir um resistor? Você poderia obter melhor precisão (e também poder usar um comutador MOSFET sem perda de precisão) com uma ponte Wheatstone .

Outra observação: é melhor usar um amplificador antes de enviar o sinal de saída para o ADC; caso contrário, você limitará bastante a faixa dinâmica do sinal e perderá a precisão. Apenas um amplificador não inversor com um Opamp de precisão (não 741 :)), trilho a trilho, se você quiser evitar o fornecimento duplo.

Sim, é possível - você pode usar um MOSFET de canal P com fonte para Vdd, drenar para divisor e gate para uC ou o que você quiser controlá-lo. Também um resistor de pull-up do gate para a fonte (digamos 10K).
Em seguida, para ativar, basta puxar o gate para o terra, para desligar, deixe-o flutuar (ajuste o pino uC para Hi-Z)

Conforme observado, dependendo do tipo de precisão que você está buscando, pode não ser o caminho a seguir. Certamente não é o mais preciso, mas se você não está muito preocupado com isso, é o mais simples.
Se você selecionar um MOSFET com baixa Rds e verificar o mínimo / máximo, poderá descobrir facilmente como isso pode afetar suas leituras e decidir.

EDIT - lendo os comentários, se você estiver medindo a temperatura do solo e precisar apenas de 0,5 graus C de precisão, acho que algo como o DS18B20 provavelmente seria mais adequado e mais fácil de usar do que um PT100. Tudo em um pequeno pacote com 2 ou 3 fios para conectar. Você também pode obtê-los em uma caixa à prova d'água conveniente no eBay - aqui está um exemplo .