Rectificar una señal de muy bajo voltaje resulta muy difícil. (para mí) Lo he intentado de diferentes maneras sin buenos resultados. Estoy buscando una solución simple razonable que funcione lo suficientemente bien.

La pregunta más directa que puedo hacer es: "¿Cómo rectifico una señal de bajo voltaje para que luego pueda amplificarse cuando mi fuente de alimentación es de solo 4 V y estoy tratando de mantener la solución simple, eficiente y necesitando unos pocos componentes". Es una situación específica.

Problema

Estoy tratando de crear un juguete que use la señal de un módulo estéreo bluetooth para impulsar un medidor de VU y un motor de CC. Estoy tratando de usar una batería de litio de 4 V (no estoy seguro de si es li-poly o no) como fuente de energía para mantener el proyecto compacto y liviano. Quiero que el diseño siga siendo pequeño y contenga la menor cantidad de componentes necesarios. La señal puede oscilar entre decenas de milivoltios y cientos de milivoltios a volúmenes bajos o hasta alrededor de 1,5 V a volúmenes altos.

Estoy tratando de amplificar ese rango de señales a cerca de 3 o 4 voltios, luego uso una cascada de caídas de voltaje de diodo para segregar los niveles y mostrar un gráfico de barras, como en este ejemplo .

Mi dispositivo solo necesita 4 niveles de volumen. La pantalla de la VU es una matriz de LED. Además, cada nivel progresivo de volumen en el gráfico de barras impulsa el motor de CC más rápido. Debido a que la señal es música y oscila rápidamente, creo que 4 niveles están lo suficientemente cerca de la salida analógica al motor, básicamente un ADC de 2 bits que maneja 4 transistores (o pares Darlington si es necesario) que impulsan el motor. Puedo usar un condensador para suavizar la entrada al motor. El motor está clasificado para 3V y consume alrededor de 300mA cuando se le da ese voltaje. Si cada interruptor de transistor entrega 75 mA al motor, eso debería ser correcto. (Aunque puedo hacer que el primer interruptor suministre más amperios porque 75 mA en realidad no moverán el motor). Además, con tanta corriente, tal vez un pequeño capacitor en realidad no ayude al motor.

Quiero que el dispositivo tenga un potenciómetro para controlar la ganancia en el amplificador de entrada, la matriz de LED para mostrar la salida para que sepa cuándo la amplificación es correcta, un condensador y otro potenciómetro como filtro de paso bajo ajustable, y una bonificación sería una olla para establecer el voltaje mínimo que hará que la cosa se mueva. Y quiero que el dispositivo pueda aceptar una amplia gama de amplitudes de entrada.

fallas

1. Intenté usar el amplificador operacional como un diodo ideal. Si eso funcionara, podría amplificar esa señal al rango que necesito. Desafortunadamente, debido a que el riel negativo está conectado a tierra en el amplificador operacional, la mitad negativa de la forma de onda conduce la entrada no inversora bajo tierra y la salida se vuelve loca. No es una señal de salida útil con una señal de entrada en un rango bajo de milivoltios.

2. Probé este diseño sin suerte.

   El chip de amplificador operacional que estoy usando es un amplificador operacional cuádruple LMC660 CMOS. No le gusta este diseño, pero no tengo un osciloscopio que funcione para ver exactamente qué tiene de malo. La salida se compensa varios cientos de milivoltios por encima del suelo, no es realmente lineal, y todavía necesita una entrada de al menos 150 mv para producir una salida significativa. En mis pruebas, el chip producirá una salida dentro de los 5 mV del suministro negativo y 0,8 V del suministro positivo.

3. Usé un amplificador operacional diferente con una configuración de riel dividido de 9V y obtuve resultados que me gustaron. Esto fue suficiente margen para amplificar la forma de onda completa y luego rectificar eso, pero la batería de 9V no es una solución aceptable.

Solución posible

¿Qué pasa si sesgo la señal de entrada por una caída de voltaje de diodo y luego rectifico esa señal? Eso debería darme una rectificación de media onda confiable, ¿verdad? ¿Es este el enfoque más razonable? ¿Cómo obtengo ese voltaje de referencia de 0.7V? Creo que puedo lanzar un diodo en el circuito de retroalimentación de un opamp y usar la salida para obtener mis 0.7V.

Sigo fallando en esto cuando los detalles de implementación (y la física) se interponen en el camino. Esa batería de 4V puede ser de 3V cuando está descargada. Si mi amplificador operacional solo se acerca a 0,8 V del riel positivo, entonces mi señal de salida ahora es solo de 2 V. Si estoy usando gotas de diodo para separar los niveles de volumen, solo podré colocar dos en ese rango. De hecho, tengo que probar el funcionamiento del amplificador operacional a 3 V y la teoría de que la batería podría bajar tanto.

Otros enfoques

Optoacoplador: traté de hacer esto rápido y sucio originalmente. Rectifiqué la señal con un LED con potenciómetro para atenuación y un combo potenciómetro/condensador para filtro de paso bajo ajustable. Pegué una fotorresistencia al LED, la usé como la mitad de un divisor de voltaje para impulsar un par darlington para impulsar el motor. Probé una variación en la que usé un potenciómetro como divisor de voltaje ajustable y alimenté esos dos voltajes a un comparador para encender y apagar el motor. Básicamente, esto funcionó, pero solo si el volumen se estableció lo suficientemente alto (muy alto) para superar la caída de voltaje en el LED. También la respuesta de 1 bit en el motor fue una decepción. Además, la respuesta en el combo de fotorresistencia/LED tal como lo tenía configurado ni siquiera fue lineal. Además, era lag. El fotorresistor pareció tardar en responder.

Amplificador de diferencia

Un artículo sugiere usar un amplificador de diferencia para obtener una rectificación de precisión de baja potencia con un solo suministro. No quiero agregar otro componente si puedo evitarlo, y realmente no quiero rastrear uno de estos solo para crear un prototipo. Encontré el artículo "Más valor de su circuito de valor absoluto: el amplificador de diferencia permite un circuito de valor absoluto de bajo consumo y alto rendimiento"

Modulación de ancho de pulso

Todavía no estoy seguro de si voy a obtener la respuesta casi lineal a la amplitud de la señal que espero en el motor con el enfoque que sugiero. Estaba pensando que si puedo obtener una forma de onda de salida rectificada escalada a 3 o 4 voltios, y crear una onda de diente de sierra con la misma amplitud, uso un comparador en las dos formas de onda y obtengo un PWM bastante bueno. Pero todavía necesito una señal rectificada.

Miré esta entrada en StackExchange, pero sugiere usar un riel dividido o un suministro dual, pero con mi amplificador operacional y niveles de voltaje, lo mejor que pude hacer es una señal de 2-3 V pico a pico, que será rectificar a una señal de 1V, entonces tal vez (?) Podría eliminar el sesgo y amplificar esa señal hasta el rango que estoy buscando. Tendría dos amplificadores operacionales sesgados que entregan una señal rectificada sesgada a otra etapa del amplificador operacional... Traté de hacer un prototipo de esto ayer sin buenos resultados.