¿Tiene que usar un amplificador de instrumentación para medir el voltaje en una derivación de 0,01 ohmios?

No tiene que usar un amplificador diferencial siempre que tenga cuidado con las caídas de voltaje que ocurren a lo largo de los terrenos. Si devuelve el extremo inferior de la resistencia de 500 ohmios al mismo punto que el extremo de tierra de la resistencia de detección, debería evitar la mayoría de esos errores.

Sin embargo, una de las primeras cosas que debe hacer con este tipo de problema es asegurarse de que el voltaje de la resistencia de detección coincida bien con la sensibilidad del amplificador.

Con una resistencia de detección de 10 m Ohm y una corriente máxima de 150 mA, el voltaje de detección será solo de 1,5 mV. Sin embargo, el voltaje de compensación de un LM358 está en la región de +/- 3mV. Duplica el voltaje que estás tratando de detectar. El circuito no medirá con precisión el flujo de corriente.

¿Por qué elegir una resistencia de detección de 10 mOhm con un panel de 12 V que puede permitirse tener una carga mucho mayor? 1 ohm sería un valor más apropiado. Esto daría un voltaje de detección máximo de 150 mV, una cantidad muy pequeña en comparación con los 12 V del panel. Para obtener una señal de 3V, solo se requiere una ganancia de 20. El voltaje de compensación del amplificador solo contribuiría con un error del 2%.

También debe usar un amplificador mejor: los de bajo costo pueden tener una compensación de menos de 1 mV. Además, el LM358 no está bien caracterizado para funcionar con 3,3 V. Como su salida solo puede estar dentro de aproximadamente 1,4 V del riel positivo (depende de la carga), el voltaje de salida estará restringido a ~ 1,9 V o menos. Un amplificador operacional de salida de riel a riel es mucho mejor cuando se ejecuta con suministros de 3.3V.

Los paneles solares son convenientes porque, dado que ambos terminales son flotantes (es decir, no están conectados a tierra), el amplificador puede funcionar en modo inversor con la resistencia de detección conectada al extremo negativo del panel; seguirá dando una salida positiva y da la opción de que el panel cargue la batería que está alimentando su circuito. He usado este enfoque en pequeños instrumentos alimentados por energía solar donde se puede medir la corriente de carga de la batería.

También tengo la capacidad de cortocircuitar el terminal positivo a tierra para que el cortocircuito se pueda medir periódicamente para determinar la intensidad solar.

Aquí hay un ejemplo que muestra cómo medir la corriente de carga mientras se carga una batería que puede alimentar el amplificador y otros circuitos. Si la entrada no inversora del amplificador operacional está conectada a tierra cerca de la resistencia de detección, cualquier cambio de tierra se atenúa en un factor de 20, ya que es relativo a una señal de 3 voltios.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Tiene un amplificador con una ganancia de aproximadamente +2000 y un voltaje de compensación de hasta +/- 3mV a temperatura ambiente. Por lo general, puede ser de +/- 2 mV (hoja de datos onsemi). Dado que la oscilación de salida sin carga y con un suministro de 3,3 V es desde algunos mV hasta quizás 2 V, la salida de corriente cero podría ser cualquier cosa dentro de ese rango. Toda su señal de entrada a escala completa es de solo 1,5 mV, por lo que 15uV representa un error del 1%. Eso es muy poco voltaje.

No necesita un amplificador de entrada (aunque lo haría más fácil y permitiría un diseño más descuidado), pero debe obtener un amplificador con un voltaje de compensación muy bajo y probablemente una salida y entrada de riel a riel que incluya el riel negativo.

La "tierra" en R2 también es extremadamente crítica: debe volver directamente a la resistencia de detección e, idealmente, se dividiría ligeramente como un amplificador diferencial, pero aquí eso es opcional cuando se consideran las tolerancias.

En primer lugar, si está midiendo una resistencia de detección que está conectada a cables, entonces probablemente habrá una compensación de tierra. Necesitará una medida diferencial para manejar eso.

El circuito de amplificador operacional que ha mostrado está configurado para una medición de un solo extremo. Debe configurarse para una medición diferencial para tener en cuenta la compensación de tierra causada por las resistencias de los cables. También debe usar cables separados para la medición de corriente y el retorno de energía (conexión Kelvin). Si deja un flujo de corriente significativo en los cables de detección, se creará un error de medición debido a la resistencia del cable.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Además, el uso de una resistencia de detección grande proporcionará mediciones más precisas. Incluso algo tan grande como 1 ohm sería razonable para un circuito de 12 V que funciona solo con 150 mA.

Hay varias opciones para hacer una medición precisa.

1. Amplifique el voltaje de detección actual y luego introdúzcalo en un ADC normal.
   a) Utilice un amplificador de instrumentación IC.
   b) Use un amplificador operacional regular configurado para una medición diferencial.
   c) CI amplificador de detección de corriente.
   
2. Use un ADC destinado a la detección de corriente, tanto Analog Devices como Texas Instruments fabrican ADC con rangos de entrada pequeños para este propósito.

Siendo realistas, necesitas algo mejor que aquello con lo que estás trabajando. tl, dr: necesita un mejor amplificador operacional y un mejor diseño. Llegaremos a eso en un momento.

Por otro lado, no necesita un amplificador de instrumentación , que es una configuración específica compuesta por 3 amplificadores operacionales (2 seguidores y uno diferencial) que se utiliza para amplificar señales de alta impedancia . La detección de corriente usando una derivación de bajo ohmio no es eso.

Primero, hablemos de lo que está yendo mal ahora.

Entiendo el deseo de usar un sentido de bajo valor en el lado bajo. Está tratando de eliminar el cambio de suelo en su Bluepill. También desea limitar el rango de entrada del LM358 a sus rieles de suministro (y al menos 1,5 V por debajo del riel +). Ese es un enfoque común que le permite usar un amplificador operacional ordinario si la ganancia que se solicita no es grande . El LM324/358 es excelente para eso, siempre que comprenda sus límites.

Pero tienes un pequeño problema XY aquí. La calidad de su amplificador operacional elegido, la topología de un solo extremo, la resistencia de detección de bajo valor y la enorme ganancia (Av = 2000) que le está pidiendo a ese amplificador operacional están conspirando en su contra y haciendo que su vida sea mucho más difícil. necesita ser. La compensación de entrada de ese LM358 lo está matando, inundando el pequeño voltaje de detección con el que está tratando de trabajar. Es un dispositivo antiguo y barato que no es realmente adecuado para mediciones de precisión.

Reformulemos el enfoque entonces. Entonces, cinco cosas:

• Sentido en el lado alto, por lo que no hay cambio de suelo. Permite lo segundo...
• Use un valor de sentido más realista escalado para su corriente (por ejemplo, 2 ohmios)
• Use un amplificador diferencial, que de todos modos tiene que hacer con el lado alto
• Use una ganancia más baja (no más de Av = 50) para que la compensación de entrada no lo mate
• Use un mejor amplificador operacional con menos compensación de entrada

Posiblemente podría hacer todo esto con un amplificador operacional que tiene una capacidad "superior" y construir un circuito de detección diferencial clásico. Maxim y Analog fabrican varios amplificadores operacionales que pueden acomodar un modo común más alto que el riel V+ del amplificador operacional, como el LT6015 , por ejemplo.

Pero... hay excelentes amplificadores especiales diseñados específicamente para la detección de corriente : baja compensación, se puede usar en el lado bajo y en el lado alto, y el modo común "superior" es compatible.

He usado el LT6105 en el lado alto de +12 V con buenos resultados. El LT6105 tiene salida de fuente de corriente, por lo que es muy fácil escalar el rango de voltaje a lo que requiera su ADC simplemente cambiando la resistencia de carga. En su sistema, podría ser alimentado por el suministro de Bluepill, por su entrada de voltaje o cualquier suministro útil que le brinde suficiente rango de cumplimiento de voltaje.

El MAX4173 se anuncia como de "bajo costo" y está en un paquete SOT23-6, por lo que es bastante pequeño, más pequeño que el LM358 que está contemplando ahora. Lo mismo con la fuente de alimentación, no le importará, ya que también lo hace "por encima".

Hay otros, pero se entiende la idea. Es un tipo de dispositivo popular.

Con esta pequeña resistencia de derivación obtienes voltajes diminutos, que necesitan un cuidado especial para medir. Como ya se mencionó, necesita amplificadores con voltaje de compensación y deriva muy bajos, por ejemplo, amplificadores chopper como LTC1049 o LTC1050 (una vez usé este tipo para una aplicación similar para medir 400 A con precisión para un imán MRT). Es posible medir voltajes tan bajos, pero debe manejar los efectos termoeléctricos controlando cuidadosamente los gradientes de temperatura y eligiendo combinaciones de materiales con coeficientes termoeléctricos bajos. A menos que mida corrientes en el rango de 100 o más amperios, simplemente elija una derivación más grande. Elija una resistencia que le proporcione una disipación de potencia aceptable (por ejemplo, 0,5 W) a su corriente máxima.

El esquema es una aplicación bien conocida de amplificadores operacionales (suministros bipolares). Voltaje de salida negativo pero puede ser cambiado por un amplificador inversor clásico. Se puede utilizar un punto de tierra virtual activo para suministro unipolar (¡independiente!) para el sistema de medición.

Propuesto también con amplificador operacional de compensación muy baja GS8333 (?) (no probado, compensación simplificada) u OP2189.

Se muestra con todo el circuito de cancelación de compensación (interruptor en ON, circuito de compensación duplicado para facilitar el ajuste).

El ajuste de ganancia de la resistencia también se "duplica". Tenga cuidado con los cables de entrada trenzados y los suministros de tierra cerca del punto negativo de la fuente de 15 V. Al igual que el esquema de conexión de Kelvin.

Y con el uso de un amplificador operacional de instrumentación AD620 (simulado)