¿Amplificador diferencial con voltaje común muy por encima del riel?

Tengo un termopar con un extremo conectado a +24V. Quiero poder leer el voltaje (-5mV - +20mV) usando un ADC de 3.3V. La solución más razonable que veo es reducir los voltajes usando divisores de resistencia, que dos seguidores de voltaje y un amplificador diferencial (como aquí: https://electronics.stackexchange.com/a/93467/61946 ).
También podría alimentar el amplificador operacional desde un riel de mayor voltaje, aunque eso significaría restringir el voltaje de salida de alguna otra manera.
¿Hay una solución más simple que me falta?

esas resistencias de precisión del 0,1% van a arruinar su presupuesto.
Estaré calibrando el sensor a partir de pares conocidos de temperatura + voltaje y ajuste de curva, por lo que siempre que la salida sea una función de primer o segundo grado de la entrada, estoy bien, no necesito valores exactos.
la estabilidad térmica del amplificador/circuito compensado también es un problema.
No se trata de una temperatura conocida, es que si usa un amplificador con referencia a tierra, entonces necesita resistencias súper precisas.
Consulte este Q&A electronics.stackexchange.com/questions/377058/… para un opamp inusual (LT1637) que permite voltajes de entrada de modo común muy por encima de su riel de suministro, hasta 44V. ¿Tal vez se pueda adaptar para su aplicación?
Algunos de los amplificadores de instrumentación de la serie INA de TI también permiten un voltaje de modo común muy por encima de los rieles.

Respuestas (4)

Esta es solo una sugerencia . Haga una conversión precisa de voltaje a corriente usando 25 V como su "tierra", luego haga el resto del trabajo a tierra al que se hace referencia. No se debe confiar en ninguno de los valores de los componentes que muestro. R1, R2, R4 y R5 establecen la ganancia. Debe elegir una parte para OP1 que funcione decentemente con su voltaje de modo común en o cerca del riel positivo; incluso con amplificadores de riel-riel, esto no es algo muy común.

Un poco de teoría: M1 no hace fluir corriente en la puerta, por lo que el voltaje que mantiene en R4 establece la corriente. R5 "atrapa" esta corriente y la convierte en un voltaje (debe almacenarlo inmediatamente con un seguidor de voltaje, por cierto). R3, C1 y R1 y R2 en paralelo compensan el circuito por la capacitancia de puerta del FET (use un fet debilucho con baja capacitancia de puerta). El 79L05 proporciona un suministro de 5 V de riel regulado para el circuito del lado alto.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

EDITAR:

Las soluciones que di anteriormente no compensan la temperatura de la unión fría, lo cual es un poco molesto. Compensar la compensación también será una tarea ardua.

Entonces, al final, usaría algo como un MCP9600, que es un amplificador de termopar I2C. De acuerdo con su hoja de datos, el rango de modo común de las entradas de termopar incluye GND a VCC, por lo que es posible "colgar" el chip de +24 V como lo sugiere Tim Wescott, usando un regulador de voltaje negativo que tenga su pin GND conectado a 24 V e IN. pin atado a GND.

Ahora debe cambiar el voltaje de la salida I2C del MCP9600 a tierra, lo cual es molesto... o requiere un chip aislador USB. Sería mejor usar un chip de interfaz SPI, que no tiene pines bidireccionales y, por lo tanto, es mucho más práctico para cambiar de nivel, pero no pude encontrar uno que admita un rango de modo común de entrada que incluya VCC (MAX31855 no funcionará ).

Así que parece que iría con MCP9600 + aislador USB.

Respuesta anterior:

Si desea una solución enlatada de un chip, puede usar un amplificador de detección de corriente como AD8210 , MAX4376, muchas ofertas de la mayoría de los proveedores de chips.

AD8210 requiere suministro de 5V, pero MAX4376 funciona con 3V. Ambos admiten el modo común de entrada de 24 V que tiene. Asegúrese de verificar la compensación y tenga en cuenta su presupuesto de error. Consulte la categoría "Amplificador de detección de corriente" en mouser o digikey para ver muchos modelos diferentes.

En cuanto a "roll your own", haría algo como esto:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Esto es similar a la solución de analogsystemsrf, con un PNP de doble coincidencia como MMBT3906 que es muy económico y evitará el desajuste de temperatura entre los transistores. Ajuste el valor de R y la corriente para mantener el transistor lineal en el voltaje del termopar que tiene. El termopar es "V1" aquí. Ajuste R3 para ganancia. Puede usar cualquier espejo de corriente elegante que desee, Wilson, base de compensación de corriente, pero la idea básica sigue siendo la misma: agregue una compensación a las resistencias del emisor de un espejo de corriente.

Q3 es una fuente de corriente que inyecta una corriente en el espejo. Ajuste el voltaje "REF" y ambas resistencias inferiores a un valor adecuado. Usaría una corriente de polarización de 0.5-1 mA, por lo que 1-3k en lugar de 100R como se dibuja.

Medir el voltaje diferencialmente entre los dos puntos OUT y OUTN permite eliminar el desplazamiento debido a la corriente de polarización. Sin embargo, las corrientes de base del transistor aún agregarán algo de compensación.

Nota: La resistencia de todos los cables al termopar está en serie con R1.

Todas las soluciones que hacen que la corriente fluya a través del termopar, como la anterior, crearán una compensación debido a la caída de voltaje: resistencia del cable del termopar x corriente. Asegúrese de que esta compensación sea aceptable. De lo contrario, deberá usar un opamp sentado en el riel de +24 V según Tim Wescott.

Me gusta esta y las otras dos respuestas que no son mías por su simplicidad, pero tendrá que ser un poco más un genio de los circuitos de transistores para calcular la ganancia (o solo tendrá que medir y calibrar, que usted tendría que hacer independientemente). En lo que a mí respecta, obtener la salida diferencial es absolutamente necesario: desea deshacerse de la mayor compensación posible electrónicamente, antes de perseguirla en la calibración.
Una característica que me hace así sobre la mía es que mientras que la mía solo funciona si la temperatura que estás midiendo es más caliente o más fría que el circuito, esta medirá las excursiones de voltaje en el termopar en ambas direcciones. Eso significa que lo que estás midiendo puede estar más caliente o más frío.
@TimWescott Gracias. Sin embargo, me acabo de dar cuenta de que no compensa la unión fría, así que agregué un bit con MCP9600.
Quería hacer una compensación de unión fría en el software, midiendo la temperatura con algo como DHT-22. Ahora que lo miro, podría ser más fácil usar un MOSFET de lado alto en lugar de lado bajo y omitir todo este problema.
@CodeandSolder Sería más sencillo aislar el termopar...
La aplicación es un controlador de soldador, por lo que el termopar está en serie con el calentador, es un poco difícil aislarlo. Pero cambiar al lado alto eliminaría la compensación.
@CodeandSolder sí, el cambio de lado alto parece ser mucho menos dolor de cabeza y más barato
Si el termopar transporta la corriente de la plancha, tendrá un voltaje significativo a través de la corriente del calentador, lo que puede inundar el voltaje del termopar, a menos que tenga cuidado de apagar el calentador antes de medir la temperatura.
@TimWescott Lo más probable es que la medición se realice periódicamente con la corriente apagada, si el ADC está sincronizado con el PWM de calefacción.
Bueno, ciertamente podría ser, y es la forma en que lo haría si fuera rey.

Qué tal esto

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simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

¿No parece funcionar en la simulación? i.imgur.com/M9UpY3u.png (Cambié el fusible a una fuente de voltaje)

Aquí hay otra sugerencia:

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simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Eso parece funcionar bastante bien, ¿podría vincular a algún lugar donde pueda aprender cómo funciona esto? No he visto esta forma de conectar transistores antes. ¿Es relevante el modelo o están bien los PNP de hormigas?
Además: esto deja un poco de compensación de CC, esto podría resolverse con un amplificador operacional después de esto, ¿verdad?
Coloque una resistencia en la cola de Q2 que coincida con la resistencia de R2 e introdúzcala en un amplificador diferencial. La verdadera deficiencia de este circuito es que la corriente base del par va a variar mucho con las variaciones de las partes y con la temperatura, por lo que no puede estar seguro de que su voltaje de salida no se eleve por encima del riel de alimentación de su circuito de bajo voltaje. . Las sugerencias que usan espejos actuales no tendrán ese problema.
@CodeandSolder Lo siento, no, no tengo una buena referencia para vincular para explicar cómo funciona esto. Y sí, cualquier par de transistores PNP (idealmente un par emparejado) debería funcionar, siempre que el V C mi O es lo suficientemente alto.
@TimWescott Sí, la sugerencia de peufeu puede funcionar mejor que la mía.
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