Convierta 10,5 V a 15 V en un rango de 0 - 3,3 V para la entrada adc

Replanteando el enunciado del problema subyacente:

Para leer la corriente que fluye a través de una resistencia de derivación de corriente de 0,25 miliohmios en el lado alto de un circuito alimentado por batería, con una precisión de 0,1 amperios.

Notas:

• El voltaje de la batería puede variar de 10,5 a 15 voltios
• Suposición: se requiere medición de corriente unidireccional, no bidireccional
• A OP le gustaría medir con una precisión de submilivoltios usando una configuración pasiva de 3 resistencias

Para una unidad de medida mínima de 0,1 amperios, tensión en derivación = 25 microvoltios. Incluso ignorando el voltaje de modo común de 10-15 voltios, un ADC de 16 bits con una referencia de 5 voltios brinda una resolución de 76,2 microvoltios por conteo. Por lo tanto, la resolución deseada no se puede lograr con un ADC de 16 bits usando solo componentes pasivos. En resumen, las especificaciones en la pregunta son insostenibles a menos que se predique un ADC de 24 bits.

Soluciones prácticas:

1. Efecto Hall, trayectoria de corriente aislada, sensores de corriente lineales:

   Para medir corrientes de hasta 20 o 30 amperios a escala completa, los sensores de corriente lineales de efecto Hall, como la familia Allegro ACS713 , proporcionan una medición de corriente de lado alto aislada unidireccional, con una resistencia de derivación interna de 1,2 miliohmios a lo largo de la ruta de corriente. Para la detección de corriente bidireccional, el ACS712 proporciona la misma funcionalidad y también tiene una opción de escala completa de 5 amperios.

   Para un rango de escala completa de 50 o 100 amperios, la serie ACS756 , similar a la ACS713, ofrece una resistencia de derivación interna de 130 µΩ a lo largo de la ruta de corriente.

   Ambos sensores de corriente proporcionan una salida radiométrica , por lo que el voltaje de salida varía linealmente hasta el voltaje de suministro del IC (3 a 5 voltios), en la proporción de la corriente detectada a la corriente nominal máxima (20, 30, 50 o 100 A dependiendo de la variante específica usado).

   

   Dado que la ruta de detección de corriente está eléctricamente aislada del resto del IC (que se muestra en el diagrama anterior), la corriente detectada es independiente del voltaje de la batería, al menos hasta varios kilovoltios. Como ventaja adicional, estos sensores se pueden usar en el lado alto o bajo sin ningún cambio: la salida está referenciada a tierra con una excursión de hasta Vcc de 3 a 5 voltios, según corresponda.

2. Amplificador de detección de corriente de lado alto:

   Estos son esencialmente amplificadores operacionales de voltaje diferencial especializados diseñados para tolerar un alto voltaje de modo común en los pines de detección, mucho más allá de sus rieles de suministro.

   Por ejemplo, los amplificadores de detección de corriente LMP8480 (detección unidireccional) y LMP8481 (bidireccional) de Texas Instruments están diseñados para detección de lado alto con un rango de voltaje de modo común de 4,0 V a 76 V. Por lo tanto, se pueden usar para la batería indicada sin consideraciones especiales y sin siquiera proporcionar un suministro de 5 voltios por separado: pueden funcionar directamente desde el suministro de la batería, como se muestra a continuación.

   

   Con la ganancia fija máxima admitida de 100 V/V, estos amplificadores proporcionarán una salida de 2,5 milivoltios por cada 0,1 amperios en la derivación especificada de 0,25 miliohmios.

   Muchos fabricantes de circuitos integrados analógicos ofrecen otros amplificadores de detección de corriente de lado alto. Una búsqueda en la web proporcionará varias opciones.

Esto entonces deja la cuestión de digitalizar el voltaje de salida de estos sensores o amplificadores de corriente.

Para los sensores de efecto Hall mencionados, para obtener una resolución de 0,1 amperios a escala completa de 5 amperios, será suficiente un ADC de 8 bits (256 valores): 5 / 0.1 = 50valores discretos. Para una resolución de 0,1 amperios a escala completa de 100 amperios, se necesita un ADC de 10 bits (1024 valores) o preferiblemente de 12 bits: 100 / 0.1 = 1000valores discretos.

Para los amplificadores diferenciales mencionados, la profundidad de bits del ADC estaría determinada por el valor de corriente de escala completa deseado, pero como una estimación aproximada, cualquier ADC de 12 bits sería suficiente.

En cuanto a convertir su rango de voltaje de 10,5 a 15 V en 0 a 3,3 V, un amplificador operacional puede encargarse de esto.

Esta es una de mis características favoritas de los amplificadores operacionales.

Echa un vistazo a este circuito.

Para lograr la atenuación, debe utilizar una configuración de amplificador operacional inversor. Ahora, la compensación de CC en su rango de 10 a 15 V es, por supuesto, 12,25 V, por lo que al aplicar una compensación de CC de -15 V al amplificador operacional, su señal se presenta como una señal de -4,5 V a 0 V, que se atenúa por un factor de 0.733, y se invierte.

Puede ser difícil de ver en esa imagen, así que esto podría ser mejor.

En cuanto a la precisión, no estoy del todo seguro de si esto podría funcionar, por lo que tal vez alguien con más conocimientos pueda intervenir, pero tal vez también pueda hacer esta atenuación con un amplificador de instrumentación más preciso.