Разряжают ли делители напряжения батарею?

Делитель напряжения действительно разряжает аккумулятор, пока он включен. Обычно делитель включается только для чтения значения и снова отключается. Вот пример такого подхода, использованного в Nordic Thingy (стр. 65):

С сигналом BAT_MON_ENвы включаете/выключаете делитель с помощью транзисторов и измеряете значение делителя в сигнале BATTERY.

В вашем случае наличие 4,5 В в делителе резисторов на 200 кОм дает вам потребление 22,5 мкА. Емкость батареи AAA составляет ~ 1000 мАч, поэтому общая емкость составляет 3000 мАч. Использование калькулятора срока службы батареи digikey дает ожидаемый срок службы ~ 94 000 часов или ~ 4 000 дней (10 лет). Если это батарейка-таблетка CR2032 емкостью ~200 мАч, срок ее службы составит около года. Имейте в виду, это только для делителя.

Может показаться, что это низкое потребление, но если вы строите маломощные устройства, среднее потребление всей системы может быть меньше, чем потребление делителя, в десятках мкА или даже нА. Затем потребление делителя может сократить срок службы батареи с 5-10 лет до 1!

Приличный свежий щелочной элемент ААА имеет емкость около 1000 мАч. Вы рисуете 4,5 В / 200 К = 22,5 мкА.

Уже одно это истощит клетки примерно через 5 лет.

Похоже, что-то еще происходит, если мои предположения верны. Посетите этот веб-сайт, посвященный модификации Arduino для снижения энергопотребления.

Чтобы получить более последовательные показания, вы можете попробовать обойти делитель с 100n на землю (на входе АЦП), но другим способом было бы добавить маломощный буфер повторителя напряжения на операционном усилителе и увеличить резисторы, скажем, до 1 МОм (сохраняйте 100н перепускной колпачок).

LPV821 был бы грубым излишеством для операционного усилителя, но работал бы хорошо. Ток питания 650 нА, ток смещения 7 пА, напряжение смещения 1,5 мкВ, напряжение питания от одной шины к другой, и он может работать с вашим напряжением питания.

Если вы будете следовать советам по переключению, предложенным другими, уменьшение резисторов до 15K или около того приведет к небольшим потерям, что улучшит согласованность показаний.

Питание постоянно проходит через делитель напряжения, даже когда я не читаю никаких данных с вывода?

Ток постоянно протекает через делитель напряжения, даже когда вы не считываете данные с вывода.

Мощность постоянно расходуется на делитель напряжения, даже если вы не считываете данные с вывода.

Если да, то сокращает ли это срок службы батареи?

Да. Ненамного, так как это резисторы на 100 кОм, если вы не ошиблись.

Я соединил два резистора и выходной провод, ведущие к Arduino, так, чтобы все они соприкасались друг с другом, влияет ли это на что-нибудь?

Я не знаю, что это значит, поэтому не могу комментировать.

Батареи трех ААА разрядились намного быстрее, чем ожидалось, и я подумал, что это может быть как-то связано с делителем напряжения.

Учитывая тот факт, что вы использовали резисторы 100K, делитель напряжения, вероятно, очень мало повлиял на срок службы батареи.

Питание постоянно проходит через делитель напряжения, даже когда я не читаю никаких данных с вывода?

Да. 4,5 В / (100 К + 100 К) = 22,5 мкА.

22,5 мкА * 4,5 В = 101 мкВт

Если да, то сокращает ли это срок службы батареи?

Это влияет на это, но в вашем конкретном случае эффект очень мал.

Емкость типичной щелочной батареи типа ААА составляет порядка 1 ампер-часа. При нагрузке 22,5 мкА хватит батареи на 1 ампер-час.

1 ампер * 1 час / 22,5 мкА = 44444 часа = 5,07 года.

Маловероятно, что резисторы 200K являются причиной разряда батареи.

Скорее всего, ваш микроконтроллер, регуляторы напряжения и другие детали на плате разряжают батарею.

Вы не упомянули, используете ли вы перезаряжаемые батареи или нет, но многие перезаряжаемые батареи AAA саморазряжаются примерно через месяц без нагрузки.

Я заметил, что делитель напряжения был очень непоследовательным, есть ли лучший способ снизить напряжение, поступающее на аналоговый вывод Arduino?

Делитель напряжения - хороший способ понизить напряжение. Причина, по которой ваши показания непоследовательны, заключается в том, что делитель имеет очень высокое выходное сопротивление.

100К * 100К / (100К + 100К) = 50К

Ваш АЦП (как и большинство АЦП), вероятно, имеет внутри себя конденсатор выборки. Когда АЦП начинает производить выборку, он должен заряжать конденсатор выборки. Для АЦП небуферизованного типа конденсатор выборки обычно заряжается от нагрузки. Для установления выходного сигнала делителя потребуется некоторое время.

Например, если внутренний конденсатор выборки был 20 пФ, то постоянная времени была бы...

20 пФ * 50 К = 1 мкс.

Если вы хотите, чтобы выходной сигнал достиг 8-битной точности, тогда время сбора данных должно быть не менее...

ln(2^8) * 1 мкс = 5,5 мкс.

Если время сбора данных на АЦП недостаточно велико, выходной сигнал не будет установлен, и ваши выборки будут неточными. Вам нужно как-то буферизовать вывод.

Если вы сэмплируете нечасто, вы можете просто поставить керамический конденсатор 0,1 мкФ между выходом делителя и землей. Внешний конденсатор очень быстро заряжает конденсатор выборки, что значительно сокращает время установления и повышает точность выборки.

Также обратите внимание, что выходное сопротивление 50 кОм делает выход делителя очень чувствительным к электромагнитным помехам от близлежащих цифровых цепей. Электромагнитные помехи приведут к случайному шуму в ваших измерениях. Конденсатор поможет и в этом.

Если для вашего АЦП задан какой-либо входной ток утечки постоянного тока, вам также может потребоваться добавить маломощный операционный усилитель, сконфигурированный как повторитель напряжения, в качестве буфера.