Схема измерения тока: Схемы измерения тока — E-core

Содержание

Схемы измерения тока - E-core

Почти каждый электронщик рано или поздно сталкивается с необходимостью измерять ток, например при проектировании лабораторного блока питания или зарядного устройства.

В этой статье мы рассмотрим наиболее популярные схемы их преимущества и недостатки.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки

Схема измерения тока в отрицательном полюсе нагрузки наиболее простая и широко распространенная. Данную схему можно встретить как в лабораторных блока питания, так и в схемах управления двигателями, схемах защит и пр.

Если не требуется высокая точность измерения тока, как правило, используется схема 1а, для более точного измерения тока, как правило, используется схема 1б.

Схема 1а

Схема 1б

В схеме 1б резистор R4 подключается к сигнальной аналоговой земле, резисторы R3 и R1 подключаются непосредственно к шунту. Сопротивление резисторов R1 и R3, R2 и R4 должно быть одинаковым.

Преимущества схемы:

  • простая реализация;
  • низкий уровень синфазного сигнала;
  • низкое выходное сопротивление;
  • широкий диапазон напряжений питания нагрузки;
  • низкая стоимость.

Недостаток у данной схемы один — токоизмерительный резистор (шунт) устанавливается в отрицательном полюсе нагрузки, что накладывает определенные ограничения.

Крутизна выходного сигнала схемы 1а определяется по формуле

(1)   \begin{equation*}  K_{1a}=Rsh(1+\frac{R2}{R1}) \end{equation*}

Крутизна выходного сигнала схемы 1б определяется по формуле

(2)   \begin{equation*}  K_{1b}=Rsh\frac{R2}{R1} \end{equation*}

В схемах с однополярным питанием когда требуется высокая точность измерений, кроме усиления сигнала с шунта требуется его небольшое смещение. Рассмотрим этот момент поподробнее.

При однополярном питании получить на выходе операционного усилителя (ОУ) нулевой потенциал достаточно сложно, даже при использовании дорогих Rail-to-rail ОУ минимальное напряжение на выходе может составлять десятки и сотни милливольт. Поскольку напряжение на выходе ОУ не опускается до нуля, то мы не может корректно измерять ток при около нулевых значениях, диапазон измерения оказывается «зарезан» на величину минимального выходного напряжения.

На схемах 2а и 2б приведена доработанная схема 1б со смещением выходного сигнала.

Схема 2а

Схема 2б

Вариант 2б сложнее, но дает чуть более высокую точность, кроме того он может оказаться более удобным если в устройстве несколько измерительных каналов, в этом случае ОУ U1B формирует единое смещение на все каналы.

В схемах 2а и 2б  резистор R5 необходимо подключать к источнику опорного напряжения, если он имеется.

Смещение выходного сигнала схемы 2а определяется по формуле

(3)   \begin{equation*}  dI_{1a}=Uref(1+\frac{R5}{R3})\frac{R2}{R1} \end{equation*}

Смещение выходного сигнала схемы 2б определяется по формуле

(4)   \begin{equation*}  dI_{1b}=Uref(1+\frac{R5}{R3}) \end{equation*}

В формулах (3) и (4) Uref — это напряжение к которому подключается R5.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки является более предпочтительным, но это более сложная задача.

Наиболее распространенные схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки приведены ниже.

Схема 3а

Схема 3б

Преимущества схемы 3а:

  • измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
  • выходной сигнал от 0В.

Недостатки схемы 3а:

  • высокий уровень синфазного сигнала;
  • высокое выходное сопротивление.

Преимущества схемы 3б:

  • измерение тока в положительном полюсе нагрузки;
  • низкое выходное сопротивление.

Недостатки схемы 3б:

  • высокий уровень синфазного сигнала;
  • необходимость точного подбора резисторов;
  • необходимость смещения выходного сигнала при однополярном питании.

В схеме 3б аналогично схеме 1б, резисторы R1 и R3, R2 и R4 должны быть равны.

Крутизна выходного сигнала схемы 3а и 3б определяется по формуле

(5)   \begin{equation*}  K_{3a}=Rsh\frac{R2}{R1} \end{equation*}

Общим и существенным недостатком схем 3а и 3б является высокий уровень синфазного сигнала близкий к напряжению на нагрузке, из-за этого диапазон допустимых напряжений на нагрузке ограничен напряжением питания ОУ. Существуют ОУ допустимый уровень синфазного сигнала которых может существенно превышать напряжение питания ОУ, например LT1637, но такие ОУ труднодоступны и дороги.

Высокий уровень синфазного сигнала приводит к существенной погрешности при использовании недорогих ОУ. Типовой уровень ослабления синфазного сигнала недорогих ОУ на уровне 80Дб, что дает погрешность 1мВ на входе ОУ на каждые 10В напряжения на нагрузке, погрешность на входе ОУ усиливается на величину коэффициента усиления схемы (R2/R1).

Для схемы 3б ситуация с ослаблением синфазного сигнала оказывается еще хуже из-за несогласованности сопротивления резисторов, так при использовании 1% резисторов коэффициент ослабления синфазного сигнала находиться на уровне 45Дб, что дает погрешность 56мВ на входе ОУ на каждые 10В напряжения на нагрузке.

Впрочем не все так плохо, данные схемы выпускаются в интегральном исполнении и называются токовые мониторы, например INA225, INA169 и др. В этих микросхемах используются высококачественные ОУ и точная подгонка сопротивления резисторов, благодаря чему коэффициент ослабления синфазного сигнала 100Дб и более, кроме того у них расширен диапазон допустимых синфазных напряжений.

Токоизмерительный резистор (шунт)

Все описанные схемы усиливают сигнал с токоизмерительного резистора (шунта) и естественно, что точность измерения тока зависит и от качества шунта.

Лучше всего для изготовления шунтов подходит манганин (проволока и лента), преимущество манганина в том, что он имеет очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС)  на уровне 10-20 ppm/C и низкое значение термоЭДС с медью.

Чуть похуже в плане ТКС константан 30 ppm/C, но он имеет относительно высокое значение термоЭДС с медью, что приводит к дополнительной погрешности при измерении. Погрешность от термоЭДС незначительна и при разрешении системы на уровне 12 бит практически не заметна.

Хуже всего в плане ТКС проволочные резисторы типа KNP ( цилиндрические) и типа SQP (прямоугольные), имеющие ТКС 400 ppm/C и 300 ppm/C соответственно. Даже обычные выводные металлопленочные резисторы лучше и имеют ТКС 100 ppm/C.

Низкий ТКС для шунта важен потому, что при протекании через него большого тока он сильно нагревается, температура перегрева шунта может составлять 20 и более градусов. Если шунт из манганина, то изменение температуры на 20 градусов приведет к изменению сопротивления шунта всего на 0,02-0,04%, изменение сопротивления проволочного резистора составит 0,6-0,8%, металлопленочного 0,2%.

 

Основы измерения тока: Токоизмерительные усилители. Часть 2

В первой из трех частей этой статьи обсуждались особенности токоизмерительных резисторов. В данной части рассматривается конструкция и использование усилителей для повышения до приемлемых уровней напряжения на этих резисторах. Третья часть будет посвящена использованию Funnel-усилителей в процессе измерения тока в тех случаях, когда нагрузка находится под высоким напряжением.

Токоизмерительные резисторы, также называемые шунтами, относятся к альтернативной технологии измерения силы тока. Для того чтобы минимизировать отрицательное влияние на протекающий ток, они имеют небольшое сопротивление, которое создает пропорционально малое падение напряжения. Поэтому разработчикам приходится использовать схему, которая усиливает это небольшое напряжение перед преобразованием с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Речь обычно идет об увеличении небольшого, - порядка десятков или сотен милливольт, - напряжения на шунтирующем резисторе до десятых долей вольта или нескольких вольт. Эта задача часто выполняется операционным усилителем (ОУ) или токовым усилителем. Чувствительным к току  является специализированный ОУ с дополнительной цепью регулировки усиления на основе прецизионных резисторов с лазерной подстройкой. Как правило, коэффициент усиления у этого усилителя напряжения составляет 20…60, а иногда даже более.

В корпусе токоизмерительного усилителя может также размещаться токовый шунт. Для случаев с более мощными токами из-за рассеивания мощности, приводящей к нагреву, предпочтителен внешний шунтовый резистор.

Наиболее распространенная конфигурация сигнальной цепи для контроля протекающего тока включает шунтовый резистор, аналоговый интерфейс (AFE), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и системный контроллер (рис. 1). В качестве усилителя AFE обычно используется операционный усилитель или токовый усилитель, который преобразует небольшое дифференциальное напряжение, падающее на шунтовом резисторе, в подходящее для АЦП значение.

Рис. 1. Способ измерения силы тока с использованием шунтового резистора

Есть два основных способа подключения шунтового резистора в цепь для измерения тока: на стороне низкого и высокого напряжения. Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки.

Измерение тока на стороне низкого напряжения

При измерении тока на стороне низкого напряжения токовый шунтовый резистор устанавливается между активной нагрузкой и заземлением. Наиболее подходящая схема измерения тока на стороне низкого напряжения показана на рисунке 2. В этой схеме используется токовый усилитель INA181 производства Texas Instruments, хотя и многие другие усилители также можно использовать для измерений на стороне низкого напряжения.

Рис. 2. Цепь измерения тока со стороны низкого напряжения с использованием INA181

Измерение тока со стороны низкого напряжения реализовать проще, поскольку напряжение с датчика на токовом шунтовом резисторе снимается относительно земли. Эта конфигурация позволяет использовать токовый усилитель с низким напряжением питания, потому что измеряемое напряжение лишь на единицы милливольт выше потенциала заземления схемы. В данной конфигурации снимаемое с датчика напряжение не накладывается на более высокое напряжение, поэтому не требуется подавление синфазного сигнала. Метод измерения со стороны низкого напряжения - самый простой и недорогой способ реализации.

Недостатком измерения тока на стороне низкого напряжения является то, что нагрузка в этом случае не имеет прямого соединения с заземлением из-за установки шунтового резистора, в результате чего нижняя сторона нагрузки находится под напряжением в несколько милливольт относительно земли.

Схема подключения без непосредственного соединения с цепью земли может вызвать проблемы в случае короткого замыкания между нагрузкой и ее корпусом. Такое короткое замыкание может произойти, например, если заключенная в металлический кожух нагрузка, например, двигатель, имеет короткое замыкание обмотки на корпус. Токоизмерительный резистор, возможно, не сможет обнаружить это короткое замыкание.

Кроме того, синфазное входное напряжение усилителя должно включать заземление для измерения на стороне низкого напряжения. Обычно это не проблема для усилителей, работающих с двухполярными источниками питания, но проблема может возникнуть в случае однополярного. Поэтому диапазон синфазного напряжения, который включает заземление, становится важным критерием при выборе подходящего усилителя для измерений на стороне низкого уровня напряжения.

Есть еще один важный аспект данного способа измерения тока. Обратите внимание, что АЦП Texas Instruments ADS114 на рис. 2 подключен по цепи питания непосредственно к заземлению, а входные цепи АЦП и усилителя INA181 на нижней стороне напряжения подключены к одной точке заземления.

При измерении тока с использованием малых напряжений, создаваемых на низкоомных шунтовых резисторах проходящим через них большим током нагрузки, важно помнить о том, что не все точки заземления могут иметь одинаковый потенциал. Когда по цепям или шинам заземления протекают большие токи от силовых нагрузок, довольно легко получить между двумя точками заземления в системе разность потенциалов в несколько милливольт. В качестве меры предосторожности всегда располагайте подключаемые к заземлению провода на очень близком расстоянии друг от друга, чтобы минимизировать разницу напряжения между ними.

Для устранения этого источника ошибки при измерении со стороны низкого напряжения опорный вывод заземления АЦП должен быть подключен в непосредственной близости от нижней стороны токоизмерительного резистора и входа токового усилителя. Не каждая удобная часть шины заземления может быть выбрана в качестве точки подключения. Для полной уверенности отметьте эту точку и все заземляющие подключения к ней по типу «звезда» непосредственно на схеме.

Аналогично, входное напряжение смещения усилителя тока непропорционально влияет на точность усиления, когда напряжение на токоизмерительном резисторе слишком маленькое. По этой причине лучше выбирать усилитель с очень низким входным напряжением смещения. Усилитель INA181, показанный на рисунке 2, имеет входное напряжение смещения ±150 мкВ для измерительных схем со стороны низкого напряжения, где отсутствует синфазное напряжение.

Несмотря на отдельные недостатки, схема измерения тока на стороне низкого напряжения является хорошим выбором, если нагрузка не требует непосредственного соединения с заземлением и, если внутренние короткие замыкания между нагрузкой и корпусом либо не являются проблемой, либо не должны обнаруживаться схемой измерения тока.

Тем не менее, для конструкций, которые должны соответствовать требованиям функциональной безопасности, лучшим выбором является метод измерения тока на стороне высокого напряжения.

Измерение тока на стороне высокого напряжения

При измерении тока со стороны высокого напряжения в разрыв цепи между источником питания и активной нагрузкой устанавливается токовый шунтовый резистор (рис. 3) с использованием токового усилителя Texas Instruments INA240 в качестве аналогового интерфейса (AFE). Синфазное входное напряжение этой микросхемы может значительно превышать напряжение питания, что делает ее хорошим выбором для измерений тока на стороне высокого напряжения.

Рис. 3. В схеме измерения тока со стороны высокого напряжения токоизмерительный резистор устанавливается между источником питания и активной нагрузкой

Измерения тока со стороны высокого напряжения имеют два ключевых преимущества по сравнению с измерением со стороны низкого. Во-первых, легко обнаружить короткое замыкание на корпус, возникающее внутри нагрузки, потому что результирующий ток короткого замыкания будет протекать через токовый шунтовый резистор, создавая на нем повышенное напряжение. Во-вторых, этот метод измерения не связан с точкой заземления, поэтому дифференциальные напряжения на шине заземления, создаваемые большими протекающими токами, не влияют на измерение. Тем не менее, по-прежнему рекомендуется размещать соединение опорного заземления АЦП ближе к заземлению усилителя.

Метод измерения тока на стороне высокого напряжения имеет один главный недостаток. Как отмечалось выше, необходимо, чтобы токовый усилитель имел высокое подавление синфазного сигнала, поскольку небольшое напряжение, развиваемое на токовом шунте, лишь чуть ниже напряжения питания нагрузки. В зависимости от конструкции системы синфазное напряжение может быть довольно большим. Токовый усилитель тока INA240 на рисунке 3 имеет широкий диапазон колебаний синфазного напряжения от -4 до 80 вольт.

Интегрированные или внешние резисторы подстройки усиления?

На рисунках 2 и 3 показаны конфигурации измерения тока на стороне низкого и высокого напряжений, в которых используются токовые усилители с интегрированными резисторами для настройки усиления. Такие интегрированные резисторы предлагают целый ряд конструктивных преимуществ, в том числе - упрощение конструкции, уменьшение количества компонентов платы и повышенную точность усиления с лазерной подгонкой. Один из основных недостатков таких усилителей заключается в том, что усиление постоянное и устанавливается на заводе. Это не составит проблемы, если настройка усиления подходит для данного применения. Однако в случае, если требуется особый коэффициент усиления, поскольку значение шунтового резистора было выбрано в первую очередь для соответствия другим критериям, предпочтительнее выбирать операционный усилитель в сочетании с дискретными резисторами.

На рис. 4 показана схема усилителя для измерений тока на стороне высокого напряжения на основе операционного усилителя MCP6H01 производства Microchip Technology с дискретными настройками коэффициента усиления настроечными резисторами.

Рис. 4. Измерение тока на стороне высокого напряжения с использованием дискретных резисторов и операционного усилителя

В этой схеме коэффициент усиления усилителя задается отношением R2 к R1. Также обратите внимание, что R1* = R1, R2* = R2, и что номинал токового шунтового резистора RSEN должен быть во много раз меньше, чем R1 или R2. Обычно это не проблема, потому что номинал токового шунтового резистора обычно составляет порядка миллиом или даже долей миллиом для схем с очень высоким током.

Формулы на рис. 4 дают понять, что использование операционного усилителя и дискретных резисторов требует больших знаний о параметрах компонентов, чем при использовании токовых усилителей с задающими усиление интегрированными резисторами.

Заключение

Токовые усилители преобразуют низкие напряжения, возникающие на шунтовых резисторах, в повышенные напряжения, более совместимые с преобразованием АЦП. Возможны два типа измерения тока: со стороны низкого и со стороны высокого напряжений питания. При измерениях со стороны низкого напряжения токоизмерительный резистор вставляют в разрыв цепи между нагрузкой и заземлением, тогда как при измерениях со стороны высокого напряжения токоизмерительный резистор вставляют между источником питания и нагрузкой. Конфигурации измерения как с низкой, так и с высокой стороны напряжения имеют свои достоинства и недостатки, поэтому выбор варианта для конкретного применения требует некоторого анализа и обсуждения.

При измерении тока можно использовать либо специально разработанный токовый усилитель с установкой усиления на заводе-изготовителе с помощью встроенных резисторов с лазерной подстройкой, либо подходящий операционный усилитель и дискретные резисторы. Первый вариант уменьшает количество компонентов на плате и упрощает проектирование AFE. Однако если конструкция AFE требует подстраиваемого усиления для согласования с определенным значением шунтового резистора и диапазоном входного напряжения АЦП, второй вариант является более подходящим.

Основы измерения тока: Токоизмерительные усилители. Часть 1

Компоненты для измерения тока / Хабр

Измерение тока используется для контроля над разными параметрами, один из которых — мощность на нагрузке. Существует немало считывающих элементов для измерения тока через нагрузку. Их выбор диктуется потребностями каждого конкретного устройства, а также величиной измеряемого тока. Мы обсудим в этой статье три разных типа считывающих компонентов для измерения тока.

1. Шунтовые резисторы
Шунты и шунтовые резисторы — про­стейший вариант токочувствительных элементов. Необходимо лишь помнить о температурном коэффициенте сопро­тивления (ТКС) резистора и избегать его нагрева. Напомним эмпирическое правило выбора токочувствительного резистора: его максимально допусти­мая мощность должна не менее чем в два раза превышать рабочую мощность рассеивания.

Изменение температуры резистора в зависимости от величины протекающего через него тока прямо пропорциональ­но отношению номинальной мощности к рассеиваемой.

При выборе токочувствительно­го резистора необходимо учитывать тепловое сопротивление его кор­пуса. Этот параметр, представляющий собой тепловое сопротивление между резистором и его внешней поверхно­стью, является основным показателем, который определяет повышение тем­пературы резистора. В таблице пере­числены тепловые сопротивления стандартных корпусов для поверхност­ного монтажа.

Ширина проводника
При проектировании печатной платы необходимо, чтобы ее медные проводники выдержали максимальный ток, необходимый для устройства.
Для каж­дого устройства необходимо найти разумный компромисс между толщи­ной, шириной проводников и стоимо­стью.

Топология
Длина проводников между токо­измерительным резистором и измери­тельной схемой должна быть как можно меньше, чтобы уменьшить не только сопротивление проводника, но и его паразитные емкость и индуктивность, которые могут внести погрешность в показания быстроменяющегося тока.

Подключение сигнальных проводни­ков к токочувствительному резистору
Рекомендуется использовать токо­чувствительный резистор с четырьмя
выводами. Если по какой-либо при­чине применяются резисторы с двумя выводами, то сигнальная шина должна находиться под токочувствительным резистором в том месте, где он соединя­ется с контактной площадкой печатной платы.

Во многих случаях ширина токо­чувствительных резисторов меньше ширины токонесущих шин. Проводники соединяются с этими шинами под углом 45°, чтобы обеспечить равномерное про­текание тока.

Магнитные помехи
Величина генерируемого проводни­ком магнитного поля прямо пропорцио­нальна току через проводник и обратно пропорциональна расстоянию до точки измерения. Необходимо помнить, что сигналь­ные проводники с высоким импе­дансом не должны располагаться параллельно проводникам с большим током. Следует избегать пересечения проводников с большими токами. Если это невозможно по какой-то причине, рекомендуется располагать эти про­водники перпендикулярно друг другу и пересекать тот слой, который наибо­лее удален от сигнального проводника, чтобы ограничить влияние помех.

2. Схемы с активными сопротивлениями

Рассмотрим проектирование токо­чувствительных схем с активными сопротивлениями (direct current resistance, DCR), которые не вызывают дополнительных потерь на измери­тельной цепочке.

Как правило, схемы с активными сопротивлениями используются в низ­ковольтных устройствах, в которых падение напряжения на токочувстви­тельном резисторе составляет значи­тельную долю от величины напряжения питания, подаваемого на нагрузку.
Схема измерения тока с активным сопротивлением представляет собой альтернативу токочувствительным резисторам. В ней используется пара­зитное сопротивление индуктора для измерения тока нагрузки. Эта схема дистанционно измеряет ток через дроссель импульсной цепи регулято­ра. Благодаря отсутствию компонентов, установленных последовательно регулятору на нагрузке, схема работа­ет без потерь.
У правильно согласованной DCR-схемы эффективный импеданс со стороны АЦП равен сопротивлению индуктора. На рисунке представлена простая схема с активным сопротив­лением для измерения тока нагрузки понижающего импульсного преобразо­вателя.

Проектирование DCR-схемы, не оснащенной функцией регулировки, увеличивает погрешность измерений до 35%, что связано с разбросом значений индуктивности и емкости в этой схеме. В некоторых случаях погрешность измерений может увеличиваться до 50%. Но использование простой выравни­вающей схемы с энергонезависимыми цифровыми потенциометрами (digital potentiometers, DCP) существенно повы­шает точность измерения тока.

Итак, DCR-схемы не вносят потерь и занимают мало места на печатной плате. Поскольку эти решения требуют настройки для правильного функционирования, необходимы дополнительные меры при изготовлении устройств на их основе. Большие допуски на отклонения значений реактивных компонентов могут привести к большому разбросу значений между эффективными сопротивлениями схем. Большие температурные коэффициенты индукторов и конденсаторов увеличивают погрешность схемы. В целом, архитектуру схемы с активным сопротивлением можно считать хорошей для измерения больших токов.

3. Датчики Холла
Рассмотрим датчики Холла. Как правило, эти датчики, предназна­ченные для сильноточных устройств, определяют ток через проводник путем измерения индукции его маг­нитного поля. Поскольку измерение тока осуществляется дистанционно, считается, что датчики Холла работают без потерь. Эти устройства предназначены для систем с током выше 200 А, т.к. мощность, рассеиваемая токочув­ствительным резистором, достаточно велика.

На рисунке иллюстрируется базовая концепция метода измерения тока на основе эффекта Холла. В этой схеме ток через проводник опреде­ляется путем измерения индукции генерируемого им магнитного поля В. Величина поля прямо пропорциональ­на протекающему току и определяется его направлением.
Линейные датчики Холла являются активными схемами, потребляющими ток 3-10 мА. Уровень шума этих датчиков составляет около 25 мВ, или 5 Гс. Данные устройства не годятся для устройств с малыми токами или большими расстояниями между проводником и датчиком из-за большого шума и потребляемого тока.

Условия, в которых эксплуатируются сигнальный проводник и датчик, следует учитывать при измерении слабых магнитных полей. Линейные датчики Холла измеряют суммарное магнитное поле в месте нахождения самого датчика. Проводники с током, расположенные рядом с датчиком, изменяют величину измеряемого магнитного поля, ухудшая точность показаний. Датчик также реагирует на другие внешние магнитные поля, возникающие при переключении двигателя или любого другого генерирующего энергию устройства.

Для ограничения влияния внешних магнитных полей на датчики используется магнитный экран, который окружает проводник с током. На рисунке показан пример использования металлического кожуха (клетки Фарадея), экранирующего проводник и датчик.

Недавно на рынке появились датчики Холла с интегрированным проводящим каналом, цепью компенсации и защитным экраном. Интеграция проводящего канала в датчик облегчает расчет выходного сигнала в функции тока через проводник. Однокристальное решение упрощает схему устройства и разработку приложения по измерению тока с помощью датчика Холла.

Несмотря на то, что за последнее время конструкция датчиков на эффекте Холла была усовершенствована, их точность и защита от помех увеличились, применение этой технологии ограничено сильноточными устройствами. Датчики Холла рассеивают меньшую мощность, чем шунтовые резисторы.

Выводы

Шунтовые резисторы — наиболее распространенные токочувствительные элементы благодаря простоте схемного решения и его стоимости, а также точности измерений. DCR-схемы предназначены для устройств с импульсными регуляторами и малыми регулируемыми выходными напряжениями благодаря дистанционному измерению тока. Наконец, датчики Холла предназначены для сильноточных устройств, поскольку рассеиваемая ими мощность меньше, чем у решений на основе шунтовых резисторов.

У каждого из трех рассмотренных решений имеются свои преимущества и недостатки. Из-за того, что шунтовые резисторы рассеивают мощность, энергоэффективность решений на основе этих компонентов сравнительно невелика. К тому же в устройствах с низким напряжением величина падения напряжения на токочувствительном резисторе может быть соизмерима с рабочим напряжением, что недопустимо. Работа схемы с использованием активного сопротивления (DCR) зависит от согласования конденсатора и индуктора. Оба компонента имеют большие допуски и высокие температурные коэффициенты. Датчик Холла восприимчив к окружающему шуму, и его применение осложняется недостатками схемы. Несмотря на усовершенствование этой технологии, до сих пор ограничивающим фактором на пути ее применения остается точность измерений.

Измерение напряжения, тока, споротивления, емкости, индуктивности, мощности в электрических цепях

Методика измерений в электрических цепях


Измерение постоянного и переменного напряжения

Измерение как постоянного, так и переменного напряжения может производиться непосредственно вольтметрами, рассчитанными для работы соответствующего типа напряжения. В тех случаях, когда необходимо измерить напряжение больше того, на которое рассчитан вольтметр, необходимо последовательно с ним включить добавочный резистор. Тогда часть измеряемого напряжения будет падать на добавочный резистор, а часть — на прибор. Подбирая величину сопротивления добавочного резистора, можно в широких пределах расширять возможности измерения больших напряжений. Известно сопротивление вольтметра Rпp и выбран коэффициент расширения пределов расширения:

n = Ux/Uпp

где Ux — максимальное напряжение на входе схемы, подлежащее измерению; Uпp — максимальные пределы измерения непосредственно вольтметром.

Величина сопротивления добавочного резистора может быть найдена по следующей формуле:

Rдоб = Rпр(n-1)

Обычно для удобства производства отсчетов коэффициент п выбирают кратным 2, 5 или 10.

Для измерения высоких значений переменных напряжений могут быть использованы так называемые измерительные трансформаторы напряжения.

Они представляют собой понижающие трансформаторы, т. е. такие, у которых число витков вторичной обмотки W2, к которой подключается вольтметр, меньше числа витков W1 первичной обмотки. Коэффициент расширения пределов измерения n = W1/W2. Схемы подключения вольтметров для измерения напряжения приведены на рис. 1.


Схемы измерения напряжения

Рис. 1. Схемы измерения напряжения


Измерение электродвижущей силы (ЭДС)

Измерение Е имеет свои особенности. При подключении вольтметра к источнику ЭДС для ее измерения через него всегда будет проходить ток, а так как любой источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением Rвн, то напряжение на таком источнике и вольтметр будет измерять величину меньшую, чем ЭДС Е.

U = E – IRвн

Если нет требований к высокой точности измерения ЭДС, то для уменьшения тока можно воспользоваться вольтметром с большим внутренним сопротивлением, например электронным. В этом случае можно считать, что измеренное напряжение U ~ Е. Более точные методы измерения ЭДС связаны с использованием компенсационных схем (рис. 2).


Схемы измерения ЭДС

Рис. 2. Схемы измерения ЭДС

В них напряжение, измеряемое вольтметром PV, снимаемое с переменного резистора R, сравнивается с напряжением на источнике ЭДС.

Изменяя напряжение на выходе переменного резистора (потенциометра), можно добиться такого условия, когда измерительный прибор Р покажет отсутствие тока через источник ЭДС. В этом случае показания вольтметра будут точно соответствовать величине ЭДС источника, т. е. U = Е .


Измерение тока

Можно производить измерение тока непосредственно амперметром, включенным в разрыв измеряемой цепи (рис. 3, а).


Схемы измерения силы тока

Рис. 3. Схемы измерения силы тока

При необходимости расширить пределы измерения амперметра необходимо параллельно амперметру включить резистор (рис. 3, б), который чаще всего называют шунтом. Тогда через амперметр будет проходить только часть тока, а остальная — через шунт. Так как сопротивление амперметров обычно небольшое, то для существенного расширения пределов измерения сопротивление шунта должно быть очень небольшим. Существуют формулы для расчета сопротивления шунта, но обычно на практике приходится вручную подгонять его сопротивление, контролируя ток эталонным амперметром.

Для измерения больших переменных токов часто используют измерительные трансформаторы токов (рис. 3, в). У них первичная обмотка, включаемая в разрыв измеряемой цепи, имеет число витков W1 меньшее, чем число витков W2 вторичной обмотки, т. е. трансформатор является повышающим по напряжению, но по току он понижающий. Амперметр подключается к выходу вторичной обмотки трансформатора тока. Часто лабораторные трансформаторы тока вообще не имеют изготовленной заранее первичной обмотки, а в их корпусе имеется широкое сквозное отверстие, через которое сам экспериментатор наматывает необходимое число витков (рис. 3, г). Зная число витков вторичной обмотки (оно обычно указано на корпусе трансформатора тока), можно выбрать коэффициент трансформации n = W1/W2 и определить измеряемый ток Iх по показаниям амперметра Iпр по следующей формуле:

Iх = Iпр/n

Совершенно по-иному производят измерение токов в электронных схемах, которые обычно спаяны, изготовлены на печатных платах; произвести какой-либо разрыв в них практически невозможно. Для измерения токов в этих случаях используют вольтметры (обычно электронные с большим внутренним сопротивлением для устранения влияния прибора на работу электронной схемы), подключая их к резисторам схемы, величины которых либо известны, либо могут быть предварительно измерены. Воспользовавшись законом Ома, можно определить силу тока:

I = U/R


Измерение сопротивлений

Часто при работе с электрическими установками или при наладке электронных схем необходимо производить измерение различных сопротивлений. Простейший способ измерения сопротивлений заключается в использовании двух измерительных приборов: амперметра и вольтметра. С их помощью измеряют напряжение и ток в сопротивлении R, подключенном к источнику питания, и по закону Ома находят величину искомого сопротивления:

R = U/I

Однако этот способ измерения сопротивлений не позволяет получить результаты измерения с высокой точностью, так как на результаты измерения оказывают влияние собственные внутренние сопротивления амперметра и вольтметра. Так, на изображенной на рис. 4, а схеме амперметр измеряет не только ток, проходящий через сопротивление, но и ток, проходящий через вольтметр, чем вносится методическая погрешность измерений.


Схема для измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра и схема омметра

Рис. 4. Схема для измерения сопротивлений методом амперметра и вольтметра (а) и схема омметра (б)

 

Этим способом производят измерение обычно в тех случаях, когда нет специальных приборов — омметров. Одна из возможных схем омметра (рис. 4, б) — последовательная. Она состоит из автономного источника питания Е, переменного резистора R и миллиамперметра магнитоэлектрического типа РА. В качестве источника питания обычно используют сухие элементы или батареи напряжением 1,4...4,5 В. Если к выводам прибора подключить сопротивление Rx, величину которого необходимо определить, то по цепи пойдет ток, величина которого будет зависеть от величины сопротивления. Так как миллиамперметр измеряет этот ток, то его шкала может быть непосредственно отградуирована в омах. Шкала у такого омметра обратная, т. е. нуль находится в правой части шкалы, так как при сопротивлении на входе, равном нулю (режим короткого замыкания), через амперметр будет протекать максимальный ток. Если внешняя цепь разорвана, что соответствует бесконечно большому сопротивлению на входе, то стрелка миллиамперметра будет находиться в самой левой части шкалы, где стоит знак х . Шкала такого омметра резко нелинейная, что в какой-то мере затрудняет считывание результатов. Переменный резистор омметра служит для установки прибора на нуль перед началом работы с ним. Для этого замыкают выводы омметра накоротко и, вращая ручку переменного резистора, добиваются нулевых показаний прибора. Так как ЭДС элемента питания с течением времени за счет разряда уменьшается, такую установку нуля необходимо периодически контролировать. С помощью подобных омметров можно измерять сопротивления от нескольких омов до сотен килоомов.


Схемы мегометра и электрического моста

Рис. 5. Схемы мегометра (а) и электрического моста (б)

Измерение больших сопротивлений до 100 МОм обычно производят с помощью мегометров (рис. 5, а). В своем классическом виде он представляет собой комбинацию автономного источника питания и измерительного прибора — логометра. Логометр — разновидность магнитоэлектрического прибора, у которого вместо одной рамки имеются две, соединенные жестко между собой под некоторым утлом. Так же, как и в обычном магнитоэлектрическом приборе, с ними связана стрелка прибора и находятся они в магнитном поле постоянного магнита. При пропускании тока через обмотки рамок они создают вращающие моменты противоположных знаков, в результате чего положение стрелки будет зависеть от отношения токов в рамках. В цепь одной из рамок включен резистор R, а в цепь другой — сопротивление Rx, величина которого должна быть определена. Применение логометра объясняется тем, что его показания определяются только отношением токов в рамках и не зависят от изменения питающего напряжения Uпит. В качестве источника напряжения для мегометра используют либо индуктор, приводимый во вращение рукой оператора, либо аккумуляторную батарею с электронным преобразователем напряжения. Такая система питания определяется тем, что для работы прибора требуются большие напряжения — порядка 500 В, так как при меньших напряжениях токи в обмотках прибора были бы слишком малыми для его нормальной работы. Использование автономного источника питания диктуется тем, что мегометром часто измеряют сопротивление изоляции кабелей; при этом, естественно, напряжение в них бывает отключенным. Кроме того, с его помощью часто проводят измерения вне помещений, где нет электрической сети.

Измерение малых сопротивлений (меньше 1 Ом), а также измерения других сопротивлений в широком диапазоне значений с высокой точностью могут проводиться с помощью электрических мостов.

Электрический мост (рис. 5, б) представляет собой четыре сопротивления (одно из них — Rx подлежит измерению), включенные по кольцевой схеме. Каждое из сопротивлений образует плечо моста. В одну диагональ моста подают постоянное напряжение питания Uпит , а к другой подключают измерительный прибор — гальванометр Р. Он представляет собой высокочувствительный магнитоэлектрический прибор с нулем посередине шкалы. Его назначение — фиксировать момент, когда ток будет отсутствовать. Приборы подобного типа часто называются нуль-индикаторами. Одно или два сопротивления в плечах моста делаются переменными, и именно ими добиваются нулевых показаний прибора. Мост при этом считается сбалансированным. Как показывает теория электрических мостов, условие баланса достигается при равенстве произведения сопротивлений противоположных плеч, т. е. при условии R1Rx = R2R3. Следовательно, после балансировки моста можно, зная величины всех сопротивлений, определить значение неизвестного сопротивления


Схемы мегометра и электрического моста

где N = R2/R1 — множитель.

Точность измерения с помощью мостов постоянного тока может быть очень велика. Результирующие значения сопротивлений могут иметь более пяти значащих цифр. В то же время мост не позволяет оперативно производить измерения, так как процесс балансировки требует определенного времени и навыка оператора.


Измерение емкостей

Определение емкости конденсатора или других устройств емкостного характера также может осуществляться различными способами. Простейший из них — метод амперметра-вольтметра (рис. 6, а).


Схемы измерения емкости

Рис. 6. Схемы измерения емкости

Он во многом аналогичен такому же методу измерения сопротивлений, с той только разницей, что схема питается переменным синусоидальным напряжением от генератора низкой или высокой частоты (или от сети). Емкостное сопротивление конденсатора определяется по следующей формуле:


Схемы измерения емкости

где f - частота переменного напряжения.

Емкостное сопротивление находится по закону Ома по показаниям приборов


Схемы измерения емкости

Измерение малых по величине емкостей удобнее производить методом резонанса (рис. 6, б). Измеряемый конденсатор Сх подключается к известной индуктивности L, образуя колебательный контур. На контур подается синусоидальное напряжение от генератора. С помощью электронного вольтметра измеряют напряжение на контуре. При резонансе оно достигает максимума.

Известно, что резонансная частота контура может быть выражена следующей формулой:


Схемы измерения емкости

Следовательно, при известной величине индуктивности в контуре и определенной по максимальным показаниям вольтметра частоте резонанса можно найти искомое значение емкости Сх.

Измерение больших емкостей (например, электролитических конденсаторов) проще всего производить путем разряда конденсатора на известное сопротивление R. Известно, что за время, равное постоянной времени цепи разряда конденсатора, его напряжение уменьшается в е раз, где е = 2,71... — основание натурального логарифма. Постоянная времени цепи разряда конденсатора на резистор определяется соотношением


Схемы измерения емкости

Схема измерения емкости этим методом (рис. 6, в) состоит из источника постоянного напряжения питания, известного по величине сопротивления резистора R, электронного вольтметра PV, переключателя S и клемм для подключения конденсатора. С помощью переключателя S конденсатор Сх заряжается до напряжения источника питания, а после переключения конденсатора на разряд с помощью секундомера измеряют время t, по истечении которого конденсатор разрядится до напряжения Uпит/е. Емкость конденсатора определяется по формуле


Схемы измерения емкости

Емкости конденсаторов можно измерять также с помощью мостов переменного тока.


Измерение индуктивностей

Измерение индуктивностей несколько сложнее. Это связано с тем, что любая катушка (обмотка трансформатора и т. п.) имеет кроме индуктивности еще и резистивное сопротивление. Поэтому во многих случаях измеряют предварительно полное сопротивление катушки индуктивности:


Схемы измерения емкости

Оно может быть определено методом амперметра и вольтметра путем измерения напряжения и тока измерительными приборами схемы на переменном напряжении (рис. 7, a) z = U/I. При подаче на схему постоянного напряжения (рис. 7, б), как уже рассматривалось выше, можно определить резистивное сопротивление катушки R.


Схемы измерения индуктивностей

Рис. 7. Схемы измерения индуктивностей

Тогда


Схемы измерения индуктивностей

В свою очередь, индуктивное сопротивление


Схемы измерения индуктивностей

При известном значении частоты / напряжения питания легко найти величину искомого значения индуктивности


Схемы измерения индуктивностей

При малых значениях индуктивности (например, контурных катушек радиоэлектронных устройств) можно воспользоваться резонансной схемой, аналогичной схеме определения емкости резонансным методом.

Для измерения индуктивности можно использовать также мосты переменного тока, специальные измерительные приборы — ку- метры, позволяющие определять не только величину индуктивности, но и такую характеристику, как добротность катушки, характеризующие качество работы катушки в электронных схемах.


Измерение мощности

В электрических цепях измерение мощности удобнее рассматривать отдельно для цепей постоянного и переменного тока.

На постоянном токе основные формулы для определения мощности следующие:


Схемы измерения индуктивностей

В соответствии с приведенными формулами мощность в каком-то сопротивлении нагрузки R можно измерить тремя способами: с помощью вольтметра и амперметра (рис. 8, а), только вольтметром (рис. 8, б) и только амперметром (рис. 8, в). Во всех случаях после снятия показаний с приборов необходимо провести математические расчеты для определения собственно мощности.


Схемы измерения мощности в цепях постоянного тока

Рис. 8. Схемы измерения мощности в цепях постоянного тока

Этого можно избежать, если для измерения мощности воспользоваться специальным прибором ваттметром (рис. 8, г). Как правило, выпускаемые промышленностью ваттметры изготавливаются на базе ферродинамического прибора (см. рис. 2.105). У ваттметров имеются две обмотки и соответственно четыре вывода. Одна из обмоток является токовой, через нее проходит ток к нагрузке, расходуемая мощность в которой подлежит измерению, а вторая — обмоткой напряжения. Она подключается непосредственно к источнику питания.

Измерение мощности на переменном токе имеет свои особенности. Во-первых, здесь существуют три различные мощности:

полная мощность, В * А,

S= UI,

активная мощность, Вт,

Р = UIcosφ;

реактивная мощность, вар,

Q = UIsinφ.

В этих формулах (φ — угол сдвига по фазе между током и напряжением.

Чаще всего интересуются полной и активной мощностями. Знание полной мощности необходимо для расчета токов в нагрузке, выбора сечения проводов и предохранителей. Активная мощность важна потому, что именно она характеризует ту мощность, которая в нагрузке преобразуется в теплоту, свет, звук и т.д.

Измерение полной мощности обычно производят, измеряя напряжение и ток вольтметром и амперметром и перемножая полученные значения. Активную мощность чаще всего измеряют с помощью ферродинамических ваттметров, которые кроме напряжения и тока учитывают и так называемый коэффициент мощности cosφ.

При подключении обмоток ваттметра к нагрузке, так же как и при постоянном напряжении, ваттметр непосредственно произведет измерение активной мощности.

На переменном токе достаточно часто приходится решать задачу измерения активной мощности в трехфазных цепях. Трехфазные цепи могут быть двух типов: трехпроводные и четырехпроводные. В трехпроводных цепях к нагрузке подходят три провода, обозначаемые буквами А, В, С. Для измерения активной мощности в такой цепи при любом варианте подключения элементов нагрузки к проводам достаточно подключить только два ваттметра так, как это показано на рис. 9.


Схемы измерения мощности на переменном токе

Рис. 9. Схемы измерения мощности на переменном токе: а — трехпроводная система; б — четырехпроводная система

При этом необходимо соблюсти определенные правила подключения ваттметров. Выводы обмоток ваттметра, обозначенные на его корпусе звездочками, должны быть обращены в сторону источника энергии. Поэтому эти выводы получили название генераторные (подключаются к проводам, идущим от генератора). Суммарная активная мощность такой трехфазной системы находится как алгебраическая сумма показаний двух ваттметров. При этом возможен вариант, когда показания одного из ваттметров могут быть отрицательными, т. е. его стрелка уйдет влево. Для снятия показаний с такого ваттметра необходимо поменять местами провода, подходящие к любой из обмоток, прочесть результат измерения, но в формулу подставить с отрицательным знаком.

Измерение активной мощности в четырехпроводных цепях требует использования трех ваттметров. Один из выводов каждого ваттметра здесь подключается к четвертому проводу, обычно называемому нулевым. Показания всех ваттметров могут быть только положительными, и суммарная активная мощность, потребляемая трехфазной цепью, будет равна сумме мощностей, измеряемых каждым из ваттметров:

Ре = Р1 + Р2 + Р3.

Один из наиболее простых методов измерения количества электричества — метод измерения с помощью так называемого баллистического гальванометра. Он представляет собой прибор магнитоэлектрической системы (см. рис. 2.103) с умышленно утяжеленной подвижной частью (с большим моментом инерции). Если на вход такого баллистического гальванометра подать кратковременный импульс напряжения, то подвижная часть прибора, получив как бы импульсный вращающий момент, начнет движение, причем уже после окончания входного импульса это движение еще будет продолжаться и стрелка прибора, двигаясь по инерции, отклонится до какого-то значения шкалы, а затем возвратится в исходное нулевое положение. В качестве отсчета на таком приборе необходимо отметить то максимальное отклонение стрелки αmах от нулевого значения, которое наблюдалось во время ее движения по «баллистической траектории». Теория такого баллистического гальванометра показывает, что этот отсчет по максимальному отклонению стрелки оказывается пропорциональным количеству электричества, прошедшего через рамку такого прибора, т. е.

αmах = Q/С6,

где Сб—баллистическая постоянная, зависящая от конструктивных особенностей гальванометра.

Измерение количества электричества Q на обкладках предварительно заряженного конденсатора можно осуществить, разрядив его через баллистический гальванометр, и по максимальному отклонению его стрелки найти искомое значение количества электричества:

Q = С6αmах

При разработке новых сплавов, предназначенных для использования в электротехнических цепях, возникает необходимость в определении их удельного сопротивления. Под удельным сопротивлением понимают сопротивление проводника сечением 1 мм2

и длиной 1м. Соответственно такое удельное сопротивление р измеряется в единицах Ом - (мм2/м). Для его измерения выбирают отрезок проводника, желательно небольшого сечения, и измеряют его сопротивление любым из рассмотренных выше методов. После этого расчетным путем приводят величину этого сопротивления к сечению 1 мм2 и длине 1 м, что не представляет каких- либо трудностей, и получают значение удельного сопротивления. Для получения большей точности измерения желательно длину проводника брать по возможности большей.

Для многих изоляционных материалов представляет определенную ценность определение их диэлектрической проницаемости ε. Одним из простейших способов ее измерения является способ косвенного измерения с последующим расчетом величины диэлектрической проницаемости. Известно, что емкость простейшего конденсатора, состоящего из двух одинаковых пластин площадью S, расположенных на расстоянии δ друг от друга, с диэлектриком, заполняющим все пространство между пластинами, определяется по формуле


Схемы измерения мощности на переменном токе

где ε — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами.

Схемы измерения мощности на переменном токе

Рис. 10. Схема для измерения диэлектрической постоянной изоляционных материалов

Измерение диэлектрической проницаемости материала производят с помощью конденсатора (рис. 10), между пластинами которого помещают испытуемый материал, а также измерения емкости такого элементарного конденсатора любым из описанных выше методов. Численную величину диэлектрической проницаемости определяют по формуле


Схемы измерения мощности на переменном токе

Развитие радиоэлектроники и установок для высокочастотного воздействия на материалы машиностроения привело к тому, что практически все пространство заполнено электромагнитными волнами.

В мире работают миллионы передающих радиостанций, многие из которых излучают значительные мощности (например, радиолокационные станции дальнего обнаружения, вещательные радиостанции и т. п.). Для оценки электромагнитных волн часто возникает необходимость определения их уровня. Обычно об уровне электромагнитных волн судят по напряженности электрического поля, величина которого аналитически может быть пересчитана в мощность электромагнитного поля. Напряженность электрического поля наиболее часто измеряют с помощью рамочной антенны (рис. 11), которая представляет собой плоскую катушку, намотанную на каркас Е из какого- либо диэлектрика. (На рис. 11 для простоты изображен только один виток.)


Измерение напряженности электрического поля

Рис. 11. Измерение напряженности электрического поля

Диаграмма направленности такой антенны показывает, что максимум принимаемого излучения идет со стороны, лежащей в плоскости витков катушки. Это позволяет не только производить измерение напряженности электрического поля, но и определять направление на источник высокочастотных излучений по максимальной величине напряжения на выходе рамки при ее поворотах относительно вертикальной оси. Напряженность электрического поля определяется по величине напряжения на выходе рамки по следующей формуле, В/м:


Измерение напряженности электрического поля

где U — напряжение на выходе рамки, В; f - частота принимаемого сигнала, Гц; n — число витков в рамке; S— площадь рамки, м2.

Обычно на геометрические размеры рамки в зависимости от частоты сигнала напряженность поля которого определяется, накладываются определенные ограничения. В частности, на частотах более 30 МГц более точные результаты получаются, если вместо рамочной антенны использовать полуволновый диполь, представляющий собой проводник длиной в половину длины волны, разрезанный посередине. Напряжение с диполя снимается с центральной разрезанной части. Значение напряженности электрического поля можно определить по следующей формуле:


Измерение напряженности электрического поля

где f— частота, Гц; U— напряжение на выходе диполя, В.

Диполь, так же как и рамка, позволяет определять направление, с которого приходит сигнал, так как обладает определенной направленностью, что видно из диаграммы направленности. Максимум принимаемых сигналов определяется перпендикуляром к плоскости диполя. Именно так ориентированы телевизионные антенны по отношению к телевизионной вышке.

Напряжение на выходе рамки или диполя можно измерять с помощью электронного вольтметра непосредственно при сильных сигналах или применяя электронные усилители. В этом случае, используя селективные свойства усилителей, можно определить уровень напряженности электрического поля определенной частоты. Нужно учесть, что уровень сигнала на выходе рамки и частично диполя складывается из большого числа электромагнитных полей, существующих в пространстве в районе расположения приемного устройства от различных источников (передатчиков).

При необходимости определить частоту высокочастотного сигнала можно, если он сильный, используя непосредственное включение электронного частотомера на выход рамки или диполя. При слабых сигналах и использовании усилителей можно по их частотной настройке определять частоты сигналов, наведенные в рамке или диполе, т. е. так, как обычно по шкале радиоприемника можно определить длину волны или частоту принимаемой станции.

Измерение тока. Виды и приборы. Принцип измерений и особенности

Нагрузка в электрической цепи характеризуется силой тока, измерение тока в амперах. Силу тока иногда приходится измерять для проверки допустимой величины нагрузки на кабель. Для прокладки электрической линии применяются кабели разного сечения. Если кабель работает с нагрузкой выше допустимой величины, то он нагревается, а изоляция постепенно разрушается. В результате это приводит к короткому замыканию и замене кабеля.

Измерение тока рекомендуется делать в следующих случаях:
  • После прокладки нового кабеля необходимо измерить проходящий через него ток при всех работающих электрических устройствах.
  • Если к старой электропроводке подключена дополнительная нагрузка, то также следует проверить величину тока, которая не должна превышать допустимые пределы.
  • При нагрузке, равной верхнему допустимому пределу, проверяется соответствие тока, протекающего через электрические автоматы. Его величина не должна превышать номинальное значение рабочего тока автоматов. В противном случае автоматический выключатель обесточит сеть из-за перегрузки.
  • Измерение тока также необходимо для определения режимов эксплуатации электрических устройств. Измерение токовой нагрузки электродвигателей выполняется не только для проверки их работоспособности, но и для выявления превышения нагрузки выше допустимой, которая может возникнуть из-за большого механического усилия при работе устройства.
  • Если измерить ток в цепи работающего обогревателя, то он покажет исправность нагревательных элементов.
  • Работоспособность теплого пола в квартире также проверяется измерением тока.
Мощность тока

Кроме силы тока, существует понятие мощности тока. Этот параметр определяет работу тока, выполненную в единицу времени. Мощность тока равна отношению выполненной работы к промежутку времени, за которое эта работа была выполнена. Обозначают буквой «Р» и измеряют в ваттах.

Мощность рассчитывается путем перемножения напряжения сети на силу тока, потребляемого подключенными электрическими устройствами: Р = U х I. Обычно на электроприборах указывают потребляемую мощность, с помощью которой можно определить ток. Если ваш телевизор имеет мощность 140 Вт, то для определения тока делим эту величину на 220 В, в результате получаем 0,64 ампера. Это значение максимального тока, на практике ток может быть меньше при снижении яркости экрана или других изменениях настроек.

Измерение тока приборами

Для определения потребления электрической энергии с учетом эксплуатации потребителей в разных режимах, необходимы электрические измерительные приборы, способные выполнить измерение параметров тока.

  • Амперметр. Для измерения величины тока в цепи используют специальные приборы, называемые амперметрами. Они включаются в измеряемую цепь по последовательной схеме. Внутреннее сопротивление амперметра очень мало, поэтому он не влияет на параметры работы цепи.Шкала амперметра может быть размечена в амперах или других долях ампера: микроамперах, миллиамперах и т.д. Существует несколько видов амперметров: электронные, механические и т.д.

  • Мультиметр является электронным измерительным прибором, способным измерить различные параметры электрической цепи (сопротивление, напряжение, обрыв проводника, пригодность батарейки и т.д.), в том числе и силу тока. Существуют два вида мультиметров: цифровой и аналоговый. В мультиметре имеются различные настройки измерений.

Порядок измерения силы тока мультиметром:
  • Выяснить, какой интервал измерения вашего мультиметра. Каждый прибор рассчитан на измерение тока в некотором интервале, который должен соответствовать измеряемой электрической цепи. Наибольший допустимый ток измерения должен быть указан в инструкции.
  • Выбрать соответствующий режим измерений. Многие мультиметры способны работать в разных режимах, и измерять разные величины. Для замеров силы тока нужно переключиться на соответствующий режим, учитывая вид тока (постоянный или переменный).
  • Установить на приборе необходимый интервал измерений. Лучше установить верхний предел силы тока несколько выше предполагаемой величины. Снизить этот предел можно в любое время. Зато будет гарантия, что вы не выведете прибор из строя.
  • Вставить измерительные штекеры проводов в гнезда. В комплекте прибора имеются два провода со щупами и разъемами. Гнезда должны быть отмечены на приборе или изображены в паспорте.

  • Для начала измерения необходимо подключить мультиметр в цепь. При этом следует соблюдать правила безопасности и не касаться токоведущих частей незащищенными частями тела. Нельзя проводить измерения во влажной среде, так как влага проводит электрический ток. На руки следует надеть резиновые перчатки. Чтобы разорвать цепь для проведения измерений, следует разрезать проводник и зачистить изоляцию на обоих концах. Затем подсоединить щупы мультиметра к зачищенным концам провода и убедиться в хорошем контакте.
  • Включить питание цепи и зафиксировать показания прибора. В случае необходимости откорректировать верхний предел измерений.
  • Отключить питание цепи и отсоединить мультиметр.
  • Измерительные клещи. Если необходимо произвести измерение тока без разрыва электрической цепи, то измерительные клещи будут отличным вариантом для выполнения этой задачи. Этот прибор выпускают нескольких видов, и разной конструкции. Некоторые модели могут измерять и другие параметры цепи. Пользоваться измерительными токовыми клещами очень удобно.

Способы измерения тока

Для измерения силы тока в электрической цепи, необходимо один вывод амперметра или другого прибора, способного измерять силу тока, подключить к положительной клемме источника тока или блока питания, а другой вывод к проводу потребителя. После этого можно измерять силу тока.

При измерениях необходимо соблюдать аккуратность, так как при размыкании действующей электрической цепи может возникнуть электрическая дуга.

Для измерения силы тока электрических устройств, подключаемых непосредственно к розетке или кабелю бытовой сети, измерительный прибор настраивается на режим переменного тока с завышенной верхней границей. Затем измерительный прибор подключают в разрыв провода фазы.

Все работы по подключению и отключению допускается производить только в обесточенной цепи. После всех подключений можно подавать питание и измерять силу тока. При этом нельзя касаться оголенных токоведущих частей, во избежание поражения электрическим током. Такие методы измерения неудобны и создают определенную опасность.

Значительно удобнее проводить измерения токоизмерительными клещами, которые могут выполнять все функции мультиметра, в зависимости от исполнения прибора. Работать такими клещами очень просто. Необходимо настроить режим измерения постоянного или переменного тока, развести усы и охватить ими фазный провод. Затем нужно проконтролировать плотность прилегания усов между собой и измерить ток. Для правильных показаний необходимо охватывать усами только фазный провод. Если охватить сразу два провода, то измерения не получится.

Токоизмерительные клещи служат только для замеров параметров переменного тока. Если их использовать для измерения постоянного тока, то усы сожмутся с большой силой, и раздвинуть их можно будет только, отключив питание.

Похожие темы:

Как контролировать ток с помощью операционного усилителя, биполярного транзистора и трех резисторов

Добавлено 9 апреля 2018 в 12:49

Сохранить или поделиться

Данная статья объясняет работу умной схемы, которая точно измеряет ток источника питания.

Прежде всего, я должен признать, что заголовок немного вводит в заблуждение. Схема, представленная в данной статье, действительно требует только операционного усилителя, транзистора и трех резисторов. Однако она не является самостоятельным контроллером тока в том смысле, что она не измеряет ток и не инициирует действия, основанные на этих измерениях. Поэтому, возможно, "измеритель тока" будет более точным названием, чем "контроллер тока", но даже "измеритель тока" – не совсем корректное название, так как схема не записывает значения тока или не преобразует их в визуальную индикацию.

В конечном счете, я полагаю, что данная схема представляет собой нечто большее, чем "преобразователь ток-напряжение", но имейте в виду, что она преобразует ток в напряжение таким образом, который совместим с приложениями мониторинга потребляемого тока. Поэтому, может быть, мы должны назвать ее "преобразователь тока в напряжение для приложений мониторинга подачи тока от источника питания" ("current-to-voltage converter for power-supply-current-delivery-monitoring applications", или аббревиатура CTVCFPSCDMA). Идеально.

Зачем?

Существуют различные ситуации, в которых вы, возможно, захотите измерить ток, потребляемый вашим проектом. Возможно, вы хотите динамически настроить работу одной подсистемы на основе потребления тока другой подсистемы. Возможно, вы пытаетесь оценить срок службы аккумулятора или подобрать минимально возможную микросхему регулятора, которая может обеспечить достаточный выходной ток. Вы даже можете использовать записанные измерения потребления тока как способ с минимальным вмешательством для отслеживания переходов микроконтроллера между состояниями низкого и высокого потребления электроэнергии.

Как?

Как обсуждалось выше, данная схема преобразует ток в напряжение. Это может удовлетворить ваши требования к мониторингу тока, если всё, что вам нужно сделать, – это вручную наблюдать за потреблением тока с помощью мультиметра или осциллографа. Я полагаю, вы могли бы даже записывать и анализировать свои измерения потребления тока с помощью устройства сбора данных и некоторого соответствующего программного обеспечения.

Если вам нужна более автономная схема в смысле возможности записывать и/или реагировать на потребление тока, вы, вероятно, захотите оцифровать измерения с помощью микроконтроллера. Если требуется только базовый функционал, и у вас нет других потребностей в процессоре, вы можете использовать компаратор или аналоговый детектор диапазона пороговых напряжений.

Схема

CTVC..., представленный в данной статье, основан на схеме, найденной в руководстве к применению под названием "Op Amp Circuit Collection", опубликованном (в далеком 2002 году) компанией National Semiconductor. Моя версия выглядит так:

Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальнаяПреобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная

И моя реализация схемы в LTspice:

Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspiceПреобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice

На первый взгляд схема может показаться немного запутанной, но ее работа довольно проста:

  • Ток протекает от источника питания к нагрузке через резистор R1. R1 работает как типовой резистор датчика тока (токовый шунт), и, как и другие токовые шунты, он имеет очень низкое сопротивление, чтобы уменьшить рассеивание мощности и минимизировать его влияние на измерения и схему нагрузки.
  • Напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход операционного усилителя, равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Не позволяйте PNP транзистору отвлекать вас от того факта, что операционный усилитель на самом деле охвачен петлей отрицательной обратной связи. Наличие отрицательной обратной связи означает, что мы можем применить принцип виртуального замыкания, т.е. можно предположить, что напряжение на инвертирующем входе равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Поскольку верхние выводы R1 и R2 подключены к источнику питания, предположение виртуального замыкания говорит нам о том, что на обоих этих резисторах появляется одинаковое напряжение, и, следовательно, ток через R2 равен току через R1. В схеме LTspice, показанной выше, R2 в 1000 раз больше, чем R1, а это означает, что ток через R2 будет в 1000 раз меньше тока через R1.
  • Ток базы биполярного транзистора очень мал, поэтому можно сказать, что ток через R3 более или менее равен току через R2. Таким образом, мы используем R3 для получения напряжения, которое прямо пропорционально току через R2, который, в свою очередь, прямо пропорционален току через R1.

Схема, приведенная ниже, должна помочь понять это объяснение:

Преобразователь тока в напряжение. Принцип действияПреобразователь тока в напряжение. Принцип действия

Как вы можете видеть, окончательная формула Vвых представляет собой:

\[V_{вых} = {I_{нагр} \over R2/R1} \cdot R3 = {R1 \cdot R3 \over R2 } \cdot I_{нагр}\]

Что именно делает PNP транзистор?

Вы можете думать о транзисторе либо как о регулируемом клапане, который позволяет операционному усилителю увеличивать или уменьшать ток, протекающий через R2 и R3, либо как об устройстве с переменным падением напряжения, которое операционный усилитель может использовать для установки правильного напряжения в точке Vвых. В обоих случаях конечный результат один и тот же: транзистор является средством, с помощью которого операционный усилитель может заставить напряжение на инвертирующем входе равняться напряжению на неинвертирующем входе.

Транзистор действительно является самой интересной частью данной схемы. Мы часто используем биполярные транзисторы в приложениях "включить или выключить", и важно понимать, что ситуация в данной схеме совершенно иная. Операционный усилитель (конечно с помощью отрицательной обратной связи) на самом деле делает небольшие точные подстройки напряжения эмиттер-база (VЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение VЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).

Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузкиЗависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки

Обратите внимание, что все эти напряжения близки к типовому порогу открытия (~0,6 В) для кремниевого PN перехода. Это говорит о том, что операционный усилитель очень тщательно согласовывает пороговую область биполярного транзистора, чтобы обеспечить требуемые (и относительно большие) изменения падения напряжения эмиттер-коллектор. Весь диапазон значений VЭБ составляет всего ~50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного ~4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного ~50 мВ, приведена ниже:

Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-базаЗависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база

Эффективность

Реальные реализации данной схемы конечно будут иметь источники ошибок, которые приведут к тому, что связь между током нагрузки и выходным напряжением отклонится от приведенной выше идеальной формулы. Даже схема LTspice не совсем идеальна из-за реалистичного поведения, реализованного в модели биполярного транзистора (и, возможно, в модели операционного усилителя). Однако, если у вас есть резисторы высокой точности и хороший операционный усилитель, я думаю, эта схема может быть довольно точной. Следующий график показывает смоделированную ошибку в том же диапазоне сопротивлений нагрузки (помните, что "V_collector" совпадает с Vвых).

Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибкиЗависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки

Два графика почти идеально совпадают, что указывает на хорошую точность. Обратите внимание, как оранжевый график заметно ниже, чем синий, при наименьшем значении сопротивления нагрузки; это обусловлено тем, что сопротивление нагрузки 50 Ом соответствует выходному напряжению 5 В, но Vвых не может быть ровно 5 В, потому что по меньшей мере небольшое напряжение должно падать на R2 и на соединении эмиттер-коллектор.

Заключение

Мы рассмотрели интересную и эффективную схему, которая точно преобразует ток источника питания в напряжение, которое можно измерить, оцифровать или использовать в качестве входного сигнала компаратора. Если вы хотите продолжить изучение этой удобной схемы, то не стесняйтесь сэкономить немного времени, загрузив мою схему LTspice по ссылке ниже.

Скачать схему для LTspice

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторИзмерениеИсточник питанияОУ (операционный усилитель)Электрический ток

Сохранить или поделиться

РадиоКот :: Измерение больших токов

РадиоКот >Схемы >Аналоговые схемы >Измерения >

Измерение больших токов

                                               Измерить ток? Что может быть проще! 

Но есть случаи, когда эти измерения простым тестером или осциллографом не провести. Например, измерение больших токов,  да еще и гальванически связанных с сетью. Под "измерением" я подразумеваю вывод на экран осциллографа. В другом случае, визуализация стартерного тока автомобиля покажет вам состояние поршневой группы двигателя без выкручивания свечей (на многих моделях это уже проблема). Увидев ток бензонасоса или форсунок автомобиля, Вам лапшу на уши автомастер не навесит.  При изготовлении ИБП,  мощных 50Гц трансформаторов с ШИМ управлением желательно, а если конструкция не клон, а новодел, то в обязательном порядке надо видеть, что происходит на высокой стороне. При проектировании сварочных инверторов нужен рабочий сварочный ток и не на шунте, а в реалии. Иначе может получиться конструкция, которая работает только у автора, а повторяющий  страстно мечтает плюнуть в фейс автору. Можно привести еще массу случаев, когда надо бы измерить ток, но сдерживает или отсутствие приборов или ТБ при измерении.

Цель этой статьи поделится практическим опытом измерения (визуализации) больших токов с гальванической развязкой от измерительных приборов. Именно практическим. То что проверено и используется.

1. Датчик тока на микросхеме ACS712

Прекраснейшая микросхема фирмы Allegro. Как называет её фирма "Линейный токовый датчи на эффекте Холла с ультра низким проходным сопротивлением"  Существует 3 клона, на 5А, 20А и 30Ампер. Изготовляется в 8-лапковом SOIC корпусе, выдерживает при этом 30А ток в долговременном режиме, в импульсе до 100А! Неоднократно пропускал 50А  1-2сек. С полной документацией можно ознакомится на сайте производителя. https://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS712-Datasheet.ashx

Коротко о хорошем:

- Гальваническая развязка 

- Возможность работы от постоянного до 80 кГц тока.

- 0,0012 Ом проходное сопротивление!

- все внутри (из обвязки: два конденсатора, по питанию и в фильтре.)

- хорошая линейность (1,5%)

- дополнительные очень интересные возможности, которые не приводятся в описании.

Из недостатков:

 -шум. Для ACS712 30А клона это 7мВ или в рабочем пересчете на уровне 0,106А измеряемого тока. Но эта м/с не метрологическая и она не для мини токов. Она заточена для использования с микроконтроллером и нивелировать этот шум программно просто. Увеличение емкости конденсатора фильтра к уменьшению шума не приводит (должно бы, но у меня по непонятной причине не получилось).

Фирма Allegro выпускает широкую номенклатуру датчиков тока, с различными параметрами. Выбрать можно для любой поставленной задачи. От 5А до 200Ампер.

В данной статье пойдет разговор, как  сделать ACS712 в применении более удобной для измерений в радио лаборатории. При проведении измерений у неё есть два неудобных параметра:

- коэффициент пересчета тока 66мВ/1А и при отсутствии проходного тока, выходное напряжение равно 1/2 питания. В классическом применении в связке с м/контроллером это правильно и логично. В лаборатории неудобно постоянно тыкать пальцем в калькулятор и совершенно невозможно смотреть переменный ток с небольшой постоянной составляющей. Вход осциллографа не закроеш, а 1/2 постоянки на выходе мешает. 

Решение этой проблемы очень простое. 

Операционным усилителем смещаем выходное напряжение прибора при отсутствии тока через м/с ACS712 на ноль и усиливаем выходное напряжение до коэффициента масштабирования = 0.1В/1А. Напряжение питания схемы (мах допустимое)  выбрал 8В (рекомендованное 5В), и сделал его двуполярным для питания операционного усилителя с помощью м.с. ICL7660. Стало очень удобно и с осциллографом, и с выходом на тестер, в уме умножаем полученное напряжение на 10, получаем измеряемый ток.

У меня получилась вот такая миниатюрная коробочка.

На улицу вывел ручку переменного сопротивления (R7) подстройки ноля, подстроечником R6 подстраиваем масштабирование устройства 1А = 0,1В. Операционный усилитель можно поставить более современный и лучше Rail-to-Rail. Плату приводить нет смысла. Схема очень простая и делается по применяемой металлической коробочке. Именно металлической, м/схема подвержена воздействию внешних магнитных полей.

Но в этом недостатке и есть нестандартные дополнительные возможности!!! В формате этой статьи не получится рассказать о этих возможностях.  Коротко напишу, что это возможность в реальном времени увидеть на экране осциллографа напряженность магнитного поля трансформатора, смотреть петлю Гистерезиса, дистанционно измерять ток. Очень неординарная функция - это измерять напряженность магнитного поля в реальном времени. Мне не встречались любительские приборы (да еще такой элементарной схемотехники) которые позволяют это делать.

2. Токовые клещи. АРРА-30Т.

 

Отличие от широко распространенных клещей - выход на осциллограф. Очень удобный и надежный инструмент, качество изготовления высокое, но для любительского применения получается относительно дороговато. Пользоваться удобно, измеряет как постоянный так и переменный ток на двух пределах 40А и 300А (смотрел сам 500А, но видимо на таких токах большая нелинейность). Очень хорошо смотреть стартерные токи автомобиля с пишущим осцилоскопом. И втягивающее видно и сам стартер и работу каждого цилиндра. Отсутствие цифрового дисплея не напрягает. В любом случае при измерениях тестер рядом. Можно включить паралельно осциллографу если уже приспичит. Дополнительные коннекторы приложены.

3. Пояс Роговского. 

Рисунок из википедии:

Это самый казусный прибор в моей лаборатории. Появился для измерений токов в тысячи ампер. Прикинув, чем можно измерить такие токи остановился на Поясе (кольце) Роговского, так как сделать что то другое проблематично или дорого. Помыкался по инету. Описаний возможностей этого чуда много, готовые изделия в продаже есть.  Реальных измерений ноль, не смотря на массу публикаций.  Плюнул  и за вечер сделал конструкцию. 

Кольца из ламина для пола, кусочки канализационных труб диаметром 100мм и 50мм, ВЧ разьем вот и вся механика.

 

 Кусок от фидера неизвестной породы.

 На него плотно намотан провод D=0,22mm.

Витки не считал, пересчитал по длинне и плотности намотки. Получилось 1500витков. Терпеть не могу мотать катушки, но этот пояс намотал за 20мин. Начало провода припаял к центральной жиле кабеля. Центральная жила в конце намотки и сам конец провода катушки это два выхода катушки.

Пояс удобно встал в уплотняющий паз трубы. Длина пояса конечно была определена заранее.

 

Нагрузил пояс на сопротивление 220ом. Собрал, получил такую конструкцию.

 

Пропустив через экспериментальный проводник синусоидальный ток силой 400Ампер, замерил выходное напряжение поделки, одновременно сняты показания с клещей АРРА-30. Получилось, что ток силой 1000А создает в поясе Роговского ЭДС равную 0.22вольт. У Кита Сукера в книге "Силовая электроника" есть имперический расчет катушки Роговского. Посчитал, получил 0.23вольта. Остался доволен, витки я точно не считал, да и расчет у Кита имперический. Крутит прибор фазу? Ну и Бог с ней, пусть крутит.Поиметь за вечер такой нужный прибор, задаром, очень удачно. Все было хорошо до начала реальных замеров. Подключив мощный 50Гц трансформатор, к автоматике с ШИМ модуляцией тока и увидев на экране ужас электрика, поматерил Википедию,  других авторов-теоретиков, себя и понял почему этот прибор так и не получил широкого распространения появившись аж в 1912г.

Все авторы публикаций характеризуют этот прибор (видимо переписывая друг у друга) как трансформатор тока (это меня и ввело в ступор, хотя формула наводимого ЭДС говорит другое). И бубнят о необходимости интегратора на выходе, для восстановления формы тока. Выходное напряжение пояса Роговского зависит не от силы исследуемого тока, а от скорости и вектора его изменения!

Это далеко не трансформатор тока и никаким интегратором реальную форму тока не восстановить. Прибор, конечно,  используется, другим прибором я и не могу измерить 1000-5000Ампер в проводнике. Результат я получаю правильный, но только тогда, когда форма тока чистая синусоида, 50Гц и я в этом уверен на 100%. В энергетике он применяется видимо тоже с ограничениями. Мои знакомые энергетики о поясе Роговского ни гу-гу.

Устройство специфическое, с массой ограничений в применении итд. Но при необходимости можно работать, так как изготовление быстрое и ничего не стоит. 

Выводы: Измерять большие токи сегодня для радиолюбителя не сложно и дешево. Мой любимый прибор это датчик тока на ACS715. Лет пятнадцаь назад делал автоматику на самодельных трансформаторах тока. Но сегодня во многих конструкциях не рационально их применять. По цене дороже получается, линейность хуже и удлиняется время наладки прибора. С интегральным датчиком, как на калькуляторе посчитал, так в реалии и получил. Хотя конечно трансформаторы тока имеют свою незаменимую нишу в конструкциях.

Скажу коротко, что  эксперименты с датчиком тока на ACS715 в корень развенчали миф аудиофилов о насыщении трансформатора рабочим током. Привели к переосмысливанию и к совершенно новому алгоритму управления сварочным током аппарата контактной сварки. Доводится до ума автомат пуска (с системой защиты и рестартов) трехфазного двигателя в однофазной сети. На них сейчас оформляется патент на полезную модель. Итд Итп. И все это в направлении электрики и электроники, которая жевана-пережевана еще в прошлом веке. Появились новые компоненты и то что было невозможно совсем недавно, сегодня уже рутина.  Но это будет уже другая история.

 

p

Файлы:
Документ PDF
Формула

Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Измерение постоянного тока с использованием шунтирующего резистора

Разработка цифрового амперметра - это, по сути, процесс преобразования вольтметра в амперметр. Мы знаем, что V = I x R. Отсюда можно сказать, что падение напряжения на резисторе (шунте) прямо пропорционально току (V = I). В амперметре это сопротивление называется шунтом. Сопротивление шунта имеет очень маленькое значение и не влияет на напряжение нагрузки. Чаще всего на рынке доступны шунты на 75 мВ. Или вы можете использовать сопротивление низкого значения.

Что вы узнаете?
  1. Где подключить шунтирующий резистор для измерения постоянного тока?
  2. Что такое шунтирующий резистор?
  3. Почему это имеет небольшую ценность?
  4. Как можно использовать Arduino для измерения тока с помощью шунтирующего резистора?
  5. Как спроектировать схему усилителя на шунтирующее напряжение?

Измерение постоянного тока с использованием цепи шунтирующего резистора

Current measurement using shunt resistor Схема измерения постоянного тока с использованием шунтирующего резистора

В этом примере мы измеряем ток 50 А с помощью шунта 75 мВ (Rsense).Шунт дает на нем напряжение 75 мВ, когда мы пропускаем ток 50 ампер. Arduino принимает 5 В в качестве входа для АЦП, поэтому дифференциальный усилитель преобразует 75 мВ в 5 В.
Расчеты для шунта 50 А, 75 мВ
Vo - напряжение, заданное на АЦП (A0), т.е. 5 В
Rin = R1 = R3
Rf = R2 = R4
Vin = 75 мВ
Vo = Vin * (RF / Rin)

Где:
Vin = 75 мВ
Vo = 5V

Предположим, что Rin = 1K (можно предположить, что Rin находится в диапазоне от 1K до 50K)
Find Rin =?
Rin = R1 = R3 = 66.66K
Rf = R2 = R4 = 1K
Вы можете использовать стандартный резистор и выполнять обратные вычисления в коде Arduino

Необходимые компоненты
  1. Шунтирующий резистор 25 А / 75 мВ
  2. Arduino Uno
  3. Соединительные провода
  4. Операционный усилитель OP07
  5. 66.66K, 1K Резисторы

Код Arduino для измерения постоянного тока с использованием шунтирующего резистора

.

Измерение постоянного тока с использованием ASC712-05A

Определение

Электрический ток - это поток электрического заряда. В электрических цепях этот заряд часто переносится перемещением электронов по проводу. Он также может переноситься ионами в электролите или ионами и электронами, например, в плазме. Это в амперах .

Что ты узнаешь?
  1. Как использовать датчик ASC712 с Arduino
  2. Что сейчас?
  3. Какой датчик подходит для вашего приложения?
  4. Куда подключить ASC712?

Измерение постоянного тока с использованием ASC712-05A

Allegro ™ ACS712 обеспечивает экономичные и точные решения для измерения переменного или постоянного тока в промышленных, коммерческих и коммуникационных системах.Комплектация устройства позволяет легко реализовать его заказчику.

Типичные области применения включают управление двигателем, обнаружение и управление нагрузкой, импульсные источники питания и защиту от перегрузки по току. Устройство не предназначено для автомобильного применения.

Устройство состоит из точной, линейной цепи Холла с малым смещением и медным проводящим путем, расположенным вблизи поверхности кристалла. Приложенный ток, протекающий через этот медный проводящий путь, создает магнитное поле, которое ИС Холла преобразует в пропорциональное напряжение.

ASC712 доступен в трех различных номиналах: 5 А, 20 А и 30 А. Он дает 185 мВ / ампер, 100 мВ / ампер и 66 мВ / ампер соответственно. Здесь мы измеряем ток 5А.

ASC712-5A дает 185 мВ / А, отсюда мы можем рассчитать фактический ток.

Напряжение = Аналоговое Чтение * (5/1024)

Ампер = (смещение напряжения переменного тока) / мВ на ампер

Где: ACSOffset - 2,5 В

Необходимые компоненты
  1. ASC712-05A Модуль датчика тока
  2. Arduino Uno
  3. Соединительные провода

Схема измерения постоянного тока с использованием ASC12-05A

Arduino ASC712 Current Measurement Circuit

Схема измерения постоянного тока ASC712

Для проверки этой цепи используйте нагрузку и источник питания. Датчик тока подключен последовательно с нагрузкой для измерения тока.На следующем занятии мы обсудим измерение тока с помощью шунтирующего резистора.

Код Arduino для измерения постоянного тока с использованием ASC12-05A

.

Измерительные цепи - электрические схемы

Так же, как автомобили
измеряют расстояние, которое они могут преодолеть, вы также можете проделать это с велосипедами
. Обычно мы отслеживаем свой километраж, чтобы увидеть, насколько далеко может зайти наша сила
, но было бы полезно, если бы мы отслеживали ее, потому что мы
поддерживаем тренировку каждый день, учитывая калории, которые мы сжигаем
.

Если вы хотите сделать свой одометр, вам понадобится микроконтроллер, который генерирует импульсы, и полевой МОП-транзистор, который преобразует эти импульсы напряжения.Просто не забывайте все время проверять свои батареи.
Лучший способ сжигать калории - ежедневно двигать этими мышцами! Настройте свои велосипеды и одометр! Сжигайте жиры!

http://www.jonh.net/~jonh/bike_computer_frob/

Самый простой способ измерить
высоких токов переменного тока - это использовать токоизмерительные клещи, но они, как правило, довольно дороги на
и стоят как минимум несколько сотен долларов. Дополнительные адаптеры клещей
могут работать хорошо, но они работают только с цифровыми мультиметрами
, которые имеют разрешение в милливольтах переменного тока.Это связано с тем, что выходной сигнал
большинства адаптеров клещей довольно низкий, например, 0,1 А = 1 мВ.
Это не годится для типичных дешевых цифровых мультиметров, у которых
имеет самый низкий диапазон переменного напряжения 200 В. Эта схема может быть встроена в недорогие токоизмерительные клещи
, такие как Digitech QM-1565 от Jaycar
Electronics. При демонтаже этого зажимного адаптера удалите этикетку, на которой
указаны коэффициенты преобразования диапазона переменного тока, а затем открутите два винта, чтобы получить доступ
внутрь.

Cheap AC Current Measurement Circuit

Схема измерения дешевого переменного тока

Два перекрестно соединенных транзистора действуют как диоды с низким падением напряжения
, генерируя постоянное напряжение, которое пропорционально току в первичной обмотке
адаптера зажимов (т. Е. В тестируемой цепи).Рекомендуемые транзисторы
- это силовые германиевые типы, такие как ADZ16, AD162, AD149,
ADY16, 2SD471, OC16 и OC28. Такой подход дает наименьшее падение напряжения
и хорошую линейность от 10 до 300 А. Можно также использовать силовые диоды Шоттки
, но результат не будет таким линейным. Для калибровки намотайте 10 витков
через зажимы адаптера зажима и пропустите через обмотку
ток 20 А. Это эквивалентно одному витку с током 200 А. Установите подстроечный резистор
в соответствии с вашим мультиметром, обычно устанавливая диапазон 2 В постоянного тока.Не калибруйте
для низкого тока, иначе точность при высоких токах будет плохой.

Автор: Жерар Ла Рой - Авторское право: Silicon Chip Electronics

Мне нравится видеть огни
движутся под музыку. Этот проект будет указывать уровень громкости звука
, идущего к вашим динамикам, путем включения светодиодов. Светодиоды
могут быть любого цвета, так что смешивайте их, чтобы они действительно хорошо смотрелись. Вход
схемы подключен к выходу динамика вашего аудиоусилителя
.Вы хотите построить два одинаковых блока для обозначения правого
и левого каналов. Уровень входного сигнала регулируется 10 кОм VR.
Если вы хотите сделать очень крупномасштабную модель этого устройства и повесить ее
на стену, имеется дополнительный выходной транзистор, который может управлять множеством светодиодов одновременно. Устройство, которое я построил, управляло тремя светодиодами на каждый выход. Последовательность включения светодиодов следующая: контакты 1, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10.

Circuit

Принципиальная схема
.

Измерение тока в соленоидах для автомобильных систем управления

Соленоиды в автомобильных системах управления

Соленоид - это линейный двигатель с фиксированным диапазоном хода. Соленоиды могут быть разработаны для простых двухпозиционных приложений, действующих как реле. Например, они используются таким образом в пускателях и дверных замках .

С другой стороны, линейный или пропорциональный соленоид - это соленоид, положение которого можно точно контролировать.Они используются для управления поршнями и клапанами для точного контроля давления или расхода жидкости в таких приложениях, как трансмиссия и впрыск топлива .

Коробки передач

требуют точного и плавного управления давлением на муфты для переключения передач и для управления блокирующим преобразователем крутящего момента. Коробки передач с электронным управлением могут содержать более восьми линейных соленоидов, каждый из которых требует плавного и точного управления. Для систем впрыска дизельного топлива с системой Common Rail с давлением, превышающим 2000 фунтов на квадратный дюйм, может потребоваться один линейный соленоид на цилиндр - и один на топливном насосе - для точной регулировки давления для поддержания предсказуемого расхода топлива в форсунках.

Пример: электронное управление коробкой передач

Автоматическая трансмиссия - это система, в которой электронное управление в значительной степени заменяет механическое управление из-за улучшения качества движения и топливной экономичности. Предыдущие улучшения в топливной экономичности и ускорении были связаны с введением блокирующего преобразователя крутящего момента. Совсем недавно комбинация программного и аппаратного обеспечения с использованием соленоидов с электронным управлением позволила упростить настройку алгоритмов переключения передач и обеспечила дополнительные преимущества в плавности и качестве переключения передач.

В целом электронное управление трансмиссией позволяет создать более простую, надежную и менее дорогостоящую электромеханическую систему. Электронные системы управления трансмиссией улучшают управление точками переключения трансмиссии с менее резким переключением передач и улучшенной плавностью переключения. Кроме того, гибкость электронного управления позволяет лучше адаптироваться к меняющимся условиям. Электронное управление точками переключения передач с более высокой разрешающей способностью обеспечивает лучшее ускорение, улучшенную экономичность, лучший контроль нагрузки и снижение выбросов с минимальными усилиями водителя.Кроме того, электронное управление позволяет трансмиссии переключаться более плавно при изменении нагрузки и ускорения.

С помощью электронной системы управления можно влиять на алгоритм управления переключением с помощью различных входных сигналов, помимо скорости вала, вакуума и входного сигнала привода. Некоторые из этих параметров включают опережение зажигания, параметры форсунок, датчики входной скорости, выбор переключения передач, скорость двигателя, положение дроссельной заслонки, скорость / блокировку гидротрансформатора, температуру ATF, температуру двигателя, датчики пробуксовки колес и инерционные датчики.Комбинирование этих типов входных данных позволяет получить широкий спектр точек оптимизации переключения, адаптированных к общим условиям эксплуатации. Чтобы использовать эти входные данные наиболее эффективно, необходима система, в которой используется точное и плавно регулируемое электронное управление точками переключения и скоростью переключения.

Гидравлическое управление по-прежнему используется для переключения передач в автоматической коробке передач с электронным управлением. В отличие от механической системы, электронное управление гидравликой в ​​электромеханической системе осуществляется линейными соленоидами, которые изменяют гидравлическое давление, прикладываемое к исполнительным механизмам, прикрепленным к блокам сцепления.Для того, чтобы это работало, чрезвычайно важно иметь точный и повторяемый контроль открытия соленоида, что, в свою очередь, позволяет точно и с повторяемостью контролировать точки переключения передач за счет применения точного количества гидравлической жидкости.

Определение положения соленоида

Положение линейного соленоида контролируется по контуру обратной связи. Например, давление на выходе клапана можно отслеживать и использовать в качестве сигнала обратной связи для сравнения с заданным значением, регулируя рабочий цикл широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления соленоидом.Однако измерение давления на выходе может оказаться трудным, непрактичным или очень дорогостоящим.

Практическая альтернатива - установить положение соленоида путем измерения тока через соленоид. Это возможно, потому что сила, создаваемая механической нагрузкой на соленоид, прямо пропорциональна магнитному полю, которое, в свою очередь, прямо пропорционально току через катушку. Пропорциональное управление соленоидом достигается за счет баланса сил между пружинной нагрузкой и магнитным полем соленоида, который может быть определен путем измерения тока через соленоид.

Электромагнитный ШИМ-контроль

Электромагнит приводится в действие с помощью генерируемого микроконтроллером входного сигнала с широтно-импульсной модуляцией для быстрого размыкания и замыкания переключателя на полевом транзисторе последовательно с соленоидом и источником напряжения (аккумулятором автомобиля). Среднее напряжение определяется отношением сигнала на раз к периоду импульса. Изменения ширины импульса и механической нагрузки соленоида вызывают изменение среднего тока, протекающего через соленоид. Средний ток указывает на величину движения соленоида и, следовательно, на давление и расход жидкости.

Взаимосвязь между движением соленоида и средним током для конкретной формы сигнала ШИМ устанавливается посредством характеристики . Хотя верно, что магнитная сила напрямую связана с током, протекающим через соленоид, фактическая механическая сила и движение не так тесно взаимосвязаны, поскольку они зависят от конструкции соленоида и характера нагрузки. Таким образом, требуется определение характеристик, чтобы соотнести средний ток с открытием соленоида.

Например, коэффициент ШИМ должен быть увеличен при первом включении соленоида для преодоления статического трения. Как только статическое трение преодолевается, используется другое соотношение ШИМ для его перемещения внутрь и наружу.

Измерение тока через катушку

Таким образом, ток является важным показателем состояния соленоида. Самый эффективный метод измерения тока соленоида - это измерение напряжения на резистивном шунте, подключенном последовательно с соленоидом, батареей и переключателем.Существует несколько различных способов настройки этой последовательной цепи для переключения и измерения напряжения.

Датчик тока низкой стороны с приводом высокого давления

Схема на Рисунке 1 показывает переключатель, подключенный к стороне высокого напряжения (незаземленной) батареи последовательно с катушкой соленоида и заземленным резистивным шунтом. Перевернутый диод подключен к катушке для фиксации (т. Е. Короткого замыкания) индуктивного напряжения, генерируемого катушкой, когда ток выключен .Использование заземления для шунта позволяет использовать недорогой операционный усилитель с разными характеристиками синфазного сигнала в электронном блоке управления (ЭБУ) для измерения напряжения на шунте.

Рис. 1. Электронный блок управления с переключением на стороне высокого и низкого давления.

При рассмотрении данного подхода проектировщик должен учитывать следующие недостатки:

  1. Рециркулирующий ток соленоида не учитывается при измерении, поэтому эта схема обеспечивает неточное измерение среднего тока через катушку соленоида.Ток рециркуляции соленоида может помочь в обнаружении состояния соленоида; если некоторые из обмоток начали закорачиваться, это состояние можно увидеть, измерив пассивно контролируемый рециркуляционный ток.
  2. Поскольку переключатель находится на высокой стороне, его дороже покупать и ездить. Привод PWM требует тщательного преобразования уровня между логическим выходом микроконтроллера и вентилем.
  3. Требуется дополнительная схема для обнаружения короткого замыкания на землю, поскольку токи короткого замыкания не проходят через шунт.Повреждение проводки и полевого транзистора может произойти, если короткое замыкание на массу (рис. 1) не обнаружено.
  4. Измерение может быть нестабильным, потому что на практике заземление не является идеальным универсальным соединением , графически отображенным в виде маленького перевернутого треугольника. В реальном приложении «земля» на самом деле не может быть земля . Падения напряжения, вызванные токами между землей операционного усилителя и заземлением шунта, могут вызвать значительные ошибки.

Измерение тока на стороне высокого давления с помощью переключателя на стороне низкого давления

Лучшим методом управления соленоидом является использование переключателя с заземлением (рис. 2), что позволяет использовать менее дорогой переключатель нижнего уровня.

Возможна значительно лучшая диагностика, так как в измерение включен рециркуляционный ток соленоида. Кроме того, привод дешевле, потому что нет необходимости выполнять преобразование уровня в ворота.

Рисунок 2. Электронный блок управления с переключением на стороне низкого давления и датчиком высокого давления.

Однако усилитель должен иметь высокий уровень подавления синфазного сигнала, и он должен выдерживать значительное синфазное напряжение (CMV). Уровень напряжения на шунте в этом примере варьируется от напряжения батареи до падения напряжения батареи и диода.Вот объяснение: когда переключатель замкнут, уровень синфазного напряжения на шунте остается на уровне напряжения батареи с низким сопротивлением. Когда переключатель размыкается, напряжение на соленоиде меняется на противоположное из-за индуктивности соленоида и заставляет уровень синфазного напряжения включать падение ограничивающего диода - пока протекает переходный ток - перед установкой на напряжение батареи.

Важным преимуществом этого метода возбуждения является то, что он позволяет обнаруживать замыкание на землю, поскольку ток на стороне высокого напряжения протекает через шунт, как показано на рисунке 2.

Ключевой проблемой при использовании этого метода измерения тока является то, что сторона высокого напряжения батареи всегда подключена к соленоиду. Это может привести к неожиданному переключению соленоида при периодическом замыкании на массу. Кроме того, постоянное наличие напряжения на соленоиде может со временем вызвать чрезмерную коррозию.

Измерение тока на стороне высокого давления с помощью переключателя на стороне высокого давления

Конфигурация, которая сводит к минимуму возможность неожиданной активации соленоида и чрезмерной коррозии, показана на рисунке 3, где и переключатель, и шунт подключены на стороне высокого напряжения.Это снимает напряжение батареи с соленоида, когда переключатель выключен , предотвращая повреждение из-за потенциального короткого замыкания на землю, и позволяет включить в измерение рециркулирующий ток. Напряжение батареи снимается с нагрузки, когда переключатель разомкнут, поэтому коррозионные эффекты, вызванные перепадом напряжения, устраняются.

Рисунок 3. Электронный блок управления с соленоидом на стороне низкого давления и переключением и датчиком на стороне высокого давления.

В этом случае, однако, изменение напряжения на соленоиде при размыкании переключателя вызовет гораздо более широкий размах синфазного напряжения, от напряжения на высокой стороне батареи до падения напряжения на одном диоде ниже земли (обратное напряжение ограничено зажимной диод).Таким образом, усилитель, используемый в этом приложении, должен обеспечивать точное измерение шунтирующего напряжения (тока), игнорируя большие, быстрые колебания синфазного напряжения, когда переключатель выходит из положения .

Как и в случае с переключением на стороне низкого напряжения и конфигурацией считывания на стороне высокого давления (Рисунок 2), можно измерить короткое замыкание на землю, поскольку весь ток соленоида со стороны высокого напряжения протекает через шунт, как показано на рисунке 3.

Простая схема измерения тока на стороне высокого давления

К счастью, дифференциальный усилитель с однополярным питанием AD8200 со всеми необходимыми для этого приложения свойствами - в едином корпусе ИС - доступен от Analog Devices.На рисунке 4 показан пример применения AD8200 в ЭБУ для измерения тока на стороне высокого напряжения в этом типе приложения. Здесь AD8200 используется для усиления и фильтрации небольшого дифференциального напряжения от шунта, подавляя при этом большие синфазные колебания, упомянутые выше. AD8200 можно использовать в любой из конфигураций, показанных ранее.

Рисунок 4. Электронный блок управления, использующий AD8200, с соленоидом на стороне низкого давления и переключением и измерением на стороне высокого давления.

AD8200 использует один источник питания +5 В и имеет диапазон входного синфазного напряжения от –2 В до +24 В с сбросом нагрузки до +44 В.Если требуется более высокий синфазный диапазон, рекомендуется использовать другой член семейства AD8200, например AD8205, с диапазоном CMV от –2 В до +65 В и коэффициентом усиления 50; или AD8206 с диапазоном CMV от –2 В до +65 В и коэффициентом усиления 20 (такое же усиление, как у AD8200).

Рисунок 5. Функциональная блок-схема AD8200.

На рисунке 5 представлена ​​функциональная блок-схема внутренней проводки AD8200. Прежде чем разрабатывать дифференциальный усилитель с использованием недорогого операционного усилителя и некоторых внешних резисторов, примите во внимание, что для достижения характеристик, необходимых для измерения тока соленоида с достаточной точностью для приложения управления, требуется схема, построенная с резисторами, которые точно согласованы с точностью до 0.01%. AD8200 имеет внутренние резисторы с лазерной подстройкой, которые обеспечивают такой уровень точности при работе как с переменным, так и с постоянным напряжением. Типичный дрейф смещения и усиления в корпусе SOIC составляет 6 мкВ / ° C и 10 ppm / ° C соответственно. Устройство также обеспечивает минимальное подавление синфазного сигнала 80 дБ от постоянного тока до 10 кГц.

Помимо поставки в корпусе SOIC, AD8200 также доступен в форме кристалла. Оба варианта корпуса рассчитаны на широкий диапазон температур, что делает AD8200 хорошо подходящим для использования во многих автомобильных и промышленных платформах.Корпус SOIC рассчитан на диапазон от –40 ° C до + 125 ° C, а матрица - от –40 ° C до + 150 ° C.

AD8200 также имеет доступный извне резистор 100 кОм на выходе предусилителя, который можно использовать с внешней емкостью для фильтров нижних частот, а также с внешними резисторами для установления коэффициентов усиления, отличных от предварительно установленного коэффициента усиления 20.

Приложение

Механическая коробка передач

В более старом методе управления точками переключения передач использовались сложные гидравлические цепи, зависящие от скорости.Переключение происходило за счет изменения гидравлического давления в сложном корпусе клапана. Гидравлическое давление регулировалось регулятором, прикрепленным к выходному валу. Центробежная сила перемещала регулятор, выпуская трансмиссионное масло и увеличивая давление в корпусе клапана. Способ адаптации к изменяющимся условиям движения обычно заключался в принудительном переключении трансмиссии на пониженную передачу при резком ускорении или нагрузке с помощью механических приводов.

Когда водителю требовалось большее ускорение, требование обычно передавалось через механизм переключения на пониженную передачу, состоящий из стержня, идущего от рычага управления дроссельной заслонкой в ​​моторном отсеке к стороне трансмиссии.Шток перемещал рычаг, перекрывая ряд каналов в корпусе дроссельной заслонки. Это заставляло трансмиссию переключаться на пониженную передачу при резком ускорении до тех пор, пока на скорости регулятор не перекрыл механизм понижающей передачи.

Адаптация к изменениям нагрузки осуществлялась с помощью модулятора вакуума. С увеличением нагрузки на двигатель изменение вакуума заставляло шток входить или выходить из корпуса клапана, изменяя точку переключения трансмиссии и скорость переключения. Хотя эти методы управления точками переключения передач и плавностью переключения передач работали, мало что можно было сделать, чтобы настроить эти параметры для более изменчивых условий из-за характеристик механической системы, используемой для управления ими.

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о