Alternativa al diodo para permitir caídas de voltaje uniformes y predecibles o en resistencia

Estoy tratando de diseñar un ohmímetro de rango automático de precisión relativamente alta. Un ejemplo típico de Arduino se puede encontrar aquí:

http://www.circuitstoday.com/ohmmeter-using-arduino

estímulo multifuente para ohmímetro Arduino

El problema de este diseño es que utiliza diodos para evitar las corrientes inversas. Ahora, para garantizar la precisión, se debe conocer la caída exacta del diodo de todos y cada uno de los diodos. Inicialmente, pensé que podría pedir un "diodo de alta tolerancia" como las resistencias (0.1%, etc.), pero aparentemente no hay forma de garantizar una caída del diodo.

Mi próxima idea brillante fue reemplazar todos los diodos con un multiplexor de 8 canales. Supuse que el "interruptor" en el multiplexor tenía una resistencia independiente, pero pronto descubrí que la resistencia de encendido (Ron) de un multiplexor depende del voltaje de entrada del canal seleccionado. Debido a que el circuito se usa como divisor de voltaje y siempre habrá una resistencia desconocida, el voltaje de entrada a cada canal nunca será el mismo y, por lo tanto, parece imposible saber cuál será el Ron en un momento dado.

Realmente espero que alguien conozca un método/solución alternativa simple. Supongo que los relés son una opción, pero son voluminosos y parecen excesivos. Estoy casi tentado a usar diodos y medir individualmente la caída del diodo, pero eso dificulta la reproducibilidad.

La respuesta que quizás no le guste: no puede usar este enfoque para obtener mediciones más precisas. Deberá cambiar a múltiples rangos de fuentes de corriente precisas para su estímulo con la complejidad asociada. No creo que haya mucha forma de calibrar los diodos en este diseño.
La "alta precisión" requiere calibración con estándares trazables. ¿Tienes acceso a estos? ¿O te refieres a "alta precisión"? De cualquier manera, ¿cuáles son sus requisitos de exactitud y precisión para medir la resistencia?
@jonk tienes razón, Precisión. Los requisitos reales de precisión R aún están por determinarse. Estaré fabricando un biomaterial y rastreando un cambio en R a lo largo del tiempo, de ahí la necesidad del rango automático. Todavía está por determinar en qué base R estará el material y cuánto cambiará. Incluso podría haber sido un poco audaz al decir precisión "Alta" porque es posible que los cambios sean tan grandes que no importe, pero estoy diseñando para el peor de los casos. El problema más importante es que la lectura debe ser estable al cambiar al siguiente rango R. ¿Eso respondió a su pregunta?
Sí. Eso ayuda. ¿Cuál es el rango probable de valores? ¿Cuántas décadas crees que necesitarás? ¿De qué a qué?
@jonk, como digo, no lo sé. Mi investigación anterior sobre bacterias tenía cambios de R de entre 400 y 1K Ohm con una R base de alrededor de 400 Ohm. Pero mi investigación actual involucra virus y recubrimientos de oro, que es básicamente un juego de pelota completamente diferente. Espero que la resistencia base caiga drásticamente debido a que el oro es muy conductivo, pero adivinar un rango sin experimentar sería un tiro en la oscuridad.
¿Cuánto tiempo tienes para hacer una sola medición? 10 por segundo o 10 por hora o? ¿Cuál es la tasa de medición que necesita? Y... bueno... ¿por qué no estás comprando un equipo para esto? ¿No es un trato único? ¿Esto es en una universidad? ¿O una corporación? ¿Tiene la intención de que otros repliquen su instrumentación? (Perdón por hacer tantas preguntas... pero las tengo y parece que influyen en mi forma de pensar).
@jonk, ¡Las preguntas son geniales! Soy un estudiante de maestría en la Universidad. Diseño de biosensores electrónicos portátiles de bajo costo para detectar bacterias, virus, etc. Entonces, para responder a su Qus. Creo que las mediciones cada segundo (posiblemente incluso cada 5 segundos si se necesita un tiempo de estabilización) serían suficientes con las pruebas iniciales funcionando durante un par de horas (¿Día?), Pero lo ideal sería que los resultados reales se leyeran en al menos 20 minutos. Por lo tanto, no estoy comprando equipos porque suelen ser costosos y la mayoría de las funciones no son necesarias. Tengo multímetros de alta precisión en mi laboratorio, pero no serán útiles para aplicaciones reales. Mella
Eso ayuda mucho. Supongo que el resto que me molesta es que no has o no puedes, por razones que no me quedan claras, hacer mediciones usando los sistemas de laboratorio de alta precisión para tener una idea del orden de las resistencias. ¿Es que no puedes simplemente usar recubrimientos de oro y desperdiciarlos? Además, dado que se trata de virus... ¿existe un límite de corriente/voltaje que pueda usarse en ellos sin inducir algunas reacciones químicas no deseadas o cambiar el equilibrio de equilibrio de los productos? Crips. Me vienen a la mente todo tipo de cosas que pueden ser problemas aquí. Entonces, ¿cuál es la limitación de voltios?
@jonk ¡Sí, hay tantas variables en las que pensar! Um, en realidad usaré los sistemas de laboratorio de alta precisión para las pruebas iniciales, pero solo cuando tenga el material fabricado. Esperando pedidos de USA para eso. Así que estoy trabajando iterativamente, primero un sistema de rango automático genérico que puedo validar usando resistencias conocidas y POTS, pero una vez que sepa los detalles, ajustaré el diseño. La mayoría de las investigaciones apuntan a un rango de voltaje de 0-5 V y un rango de corriente de uA a unos pocos mA. ¡Realmente aprecio tu aporte! Aunque conocía las limitaciones, todavía no había pensado en la implementación.
Me preocuparía si puede medir la resistencia en un sistema de este tipo utilizando una corriente de sonda de CC, ya que incluso una pequeña corriente corre el riesgo de causar polarización o reacciones electroquímicas. ¿Posiblemente debería reconsiderar si realmente necesita construir un circuito antes de haber reducido cuál debe ser la medida? De lo contrario, parece como si estuviera saltando a las consideraciones de viabilidad comercial antes de haber hecho la investigación real sobre si hay algo para comercializar. Hice mi doctorado en biodetección, por cierto.
Como dijeron otros, los MOSFET de bajo Rdson harán un trabajo moderadamente bueno si el circuito está diseñado para adaptarse. | Un hecho poco conocido es que el voltaje de saturación de los transistores bipolares tiende a seguir cayendo a medida que aumenta la corriente de excitación. Hace mucho tiempo usé bipolares TO92 de bajo costo con betas forzadas de más de 10 para obtener resultados lo suficientemente buenos en un circuito similar en concepto al suyo. es decir, para una corriente de colector de 0,1 mA, usé 1 mA o más de la unidad base. Normalmente, eso no tiene sentido: aquí, donde Vsat es el tema clave, lo tiene. Hoy en día probablemente usaría un MOSFET.
@nekomatic Ya hemos validado que, de hecho, se puede medir una resistencia DC de las bacterias. Las reacciones electroquímicas son un problema, pero hemos determinado que la detección positiva tiene un efecto mucho mayor. Realmente no estoy pensando en la comercialización, sino que nos estamos enfocando en encontrar métodos más baratos que sean más accesibles para los países del tercer mundo (Sudáfrica). La investigación muestra que los cambios electroquímicos de CC pueden detectarse, pero la resistencia no está bien estudiada. otras opciones son voltamperometría y EIS. ¿Me interesaría leer su doctorado si está disponible en línea?
@NickLaw Si la medición de CC es confiable y reproducible, genial. Supongo que por 'comercialización' me refiero a que diseñar un circuito para realizar una medición específica dentro de un costo de producción objetivo se siente más como un problema de implementación, que requiere solo un gasto predecible en ingeniería, que una pregunta de investigación. El doctorado no está en línea, lo siento, pero fue sobre la inmovilización de biomoléculas mediante electropolimerización (y no produjo publicaciones...)

Respuestas (1)

Para ampliar un poco los comentarios. Según los estándares ordinarios de DMM, se necesitará una enorme cantidad de trabajo para obtener algo parecido a la "precisión" de este circuito. El factor más importante es uno que no se aborda: las salidas digitales de Arduino difícilmente son fuentes de voltaje de precisión. Sin conocer esos voltajes, no hay forma de saber (con precisión) cuál es la resistencia.

En segundo lugar, incluso si todos sus diodos son idénticos, su voltaje cambiará con la corriente, lo que significa que necesita calibrar todos sus canales. La caída de voltaje en el diodo activo cambiará con el valor de la resistencia que se está midiendo.

En tercer lugar, si bien es probable que esto no se note en la escala en la que está trabajando, para una corriente determinada, el voltaje del diodo variará con la temperatura, y eso incluye los cambios de temperatura causados ​​​​por el autocalentamiento.

Entonces, tal vez debería definir "precisión", junto con "exactitud"; después de todo, no son lo mismo. El circuito me parece obra de alguien no muy versado en electrónica que tuvo "esta gran idea", y que está demostrando que cuando tu única herramienta es un martillo, todos tus problemas parecen clavos.

EDITAR: una alternativa sería usar MOSFET de tipo p como aisladores en lugar de diodos. esto se vería como

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

con un par de notas. Primero, los 5 voltios no son la fuente de alimentación de Arduino. Es un 5 voltios derivado por separado, estable y preciso. En segundo lugar, las puertas de los FET son impulsadas por Arduino y sus polaridades se invierten con respecto a su circuito nominal. Es decir, un valor ALTO desactiva una resistencia, mientras que un valor BAJO la lleva a +5. En tercer lugar, los FET deben ser FET de nivel lógico. Por lo general, no se garantiza que los FET "normales" se enciendan completamente con 5 voltios en la puerta (aunque generalmente lo harán, más o menos).

¡Gracias! ¡Estoy totalmente de acuerdo con usted! Estoy usando Arduino como prueba de concepto y luego actualizo cuando sé exactamente lo que quiero (los resultados de las pruebas pueden indicar la necesidad de un análisis más complejo como EIS o Voltametría). Su segundo punto: ¿calibrar todos los canales? ¿puedes explicar? y sí, estoy de acuerdo contigo en el enlace, no estoy de acuerdo con la mitad de lo que hicieron (especialmente el código), pensé que lo usaría como base y me abriría camino hacia un mejor diseño. Pero si conoce algún esquema o enlace mejor, estoy más que dispuesto a rediseñarlo.
Calibre todos los canales. Si la resistencia de 1k alimenta una incógnita de 1k, el voltaje resultante en D3 será diferente al voltaje en D4 cuando la incógnita es de 2,2k. Cada canal es una resistencia/diodo elevado cuando los otros están bajos. Dado que cada uno tiene una corriente diferente, cada uno tendrá diferentes voltajes de diodo cuando esté cerca del óptimo. Por lo que vale, debería poder obtener una resolución del 1%, pero eso supone un suministro de voltaje de precisión para Arduino, Y un comportamiento muy consistente de las salidas digitales. Y todavía no ha declarado sus requisitos.
@NickLaw - Ver edición.
¡Impresionante! ¡De hecho, eso tiene mucho sentido! Voy a tener que repasar mi teoría de MOSFET, me pregunto si los MOSFET deberían calibrarse, como los diodos. Pero si los MOSFET son como BJT, creo que la corriente y los Vds serán iguales en todos los canales. En cuanto a los requisitos. ¿Viste el comentario a Jonk? Básicamente, los requisitos aún deben determinarse por un biomaterial que aún no se ha fabricado. Realmente depende de la base resistiva inicial y luego del cambio general en la resistencia durante un período de tiempo.
@NickLaw: siempre que Rds (encendido) sea inferior al 0,5% de la resistencia de referencia, su contribución de error será menor que los errores causados ​​​​por el ADC de 10 bits en Arduino. Para los valores de resistencia que está utilizando, esto no debería ser un problema ni remotamente. Además, por supuesto, las tolerancias de su resistencia probablemente serán del 1%, lo que pone un límite del 1% en la precisión de su medición, por lo que es casi seguro que Rds no sea un problema. Debe hacer los cálculos para tener una idea de sus límites de error. Calcule voltajes asumiendo errores en el voltaje de suministro y errores de resistencia.
¡Impresionante! ¡Creo que voy a correr con tu idea y ver si puedo hacer algo! Gracias por el aporte.
Alternativa al diodo para permitir caídas de voltaje uniformes y predecibles o en resistencia
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v