Схема измерения тока. Схемы измерения тока: обзор методов и применение операционных усилителей

В данной схеме операционный усилитель включен в режиме неинвертирующего усилителя. Напряжение с шунта подается на неинвертирующий вход ОУ. Коэффициент усиления определяется резисторами обратной связи:

K = 1 + R2/R1

Где R2 — резистор в цепи отрицательной обратной связи, R1 — резистор между инвертирующим входом и общим проводом.

Выходное напряжение ОУ пропорционально измеряемому току:

Vout = I * Rшунт * K

Основные преимущества использования ОУ:

• Увеличение чувствительности измерения
• Возможность калибровки схемы путем подбора коэффициента усиления
• Высокое входное сопротивление, минимальное влияние на измеряемую цепь

Ключевые аспекты при разработке схемы измерения тока

При проектировании схемы измерения тока важно учитывать следующие моменты:

1. Выбор номинала шунта. Он должен обеспечивать достаточное падение напряжения для измерения, но не вносить значительных потерь.
2. Учет синфазного напряжения и выбор ОУ с соответствующим диапазоном входных напряжений.
3. Минимизация влияния шумов и наводок путем правильной разводки печатной платы.
4. Температурная компенсация, особенно при измерении больших токов.
5. Защита входов ОУ от перенапряжений.

Применение специализированных микросхем для измерения тока

Помимо дискретных схем на ОУ, существуют специализированные интегральные микросхемы для измерения тока. Они обычно содержат прецизионный усилитель, АЦП и дополнительную логику в одном корпусе. Преимущества таких решений:

• Простота применения
• Высокая точность
• Наличие дополнительных функций (температурная компенсация, защита от перегрузки и т.д.)
• Малые габариты

Примеры популярных микросхем для измерения тока:

• INA219 — измеритель тока и мощности с I2C интерфейсом
• MAX471 — монитор тока и напряжения с аналоговым выходом
• ACS712 — датчик тока на эффекте Холла

Измерение тока в высоковольтных цепях

Для измерения тока в цепях с высоким напряжением часто применяются гальванически развязанные методы:

• Трансформаторы тока
• Датчики на эффекте Холла
• Оптроны

Это позволяет обеспечить безопасность измерительной схемы и защитить ее от высокого напряжения. Например, трансформатор тока позволяет измерять большие переменные токи, обеспечивая при этом гальваническую развязку.

Заключение

Измерение тока — важная задача во многих электронных устройствах. Существует множество методов и схемотехнических решений для ее реализации. Выбор конкретного метода зависит от требований к точности, диапазону измерений, стоимости и других факторов. Применение операционных усилителей позволяет создавать простые и эффективные схемы измерения тока с хорошими характеристиками.

При разработке схемы измерения тока важно учитывать особенности конкретного применения, выбирать соответствующие компоненты и уделять внимание вопросам точности, помехозащищенности и безопасности. Правильно спроектированная схема измерения тока позволит получить надежные и точные данные о потреблении тока в вашем устройстве.

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)  

Крутизна выходного сигнала схемы 1б определяется по формуле

(2)  

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)  

Смещение выходного сигнала схемы 2б определяется по формуле

(4)  

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)  

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 R_SEN 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

Электрические измерения. Схема измерения величин напряжения, силы тока, сопротивления.

Измерение таких параметров как напряжение, сила тока, сопротивление для систем сигнализации не отличается от методов измерения перечисленных величин в других электрических цепях. Для дальнейшего рассмотрения темы нам понадобятся:

• схема измерения,
• закон Ома,
• минимальные навыки пользования мультиметром (тестером).

Несколько небольших уточнений:

• рассматриваемые методы измерений применимы к цепям, не содержащим емкостей и индуктивностей,
• измерения электрических величин напряжения, тока, сопротивления производятся для участка цепи, имеющего активное сопротивление, поэтому приемлимы как для постоянного напряжения (тока) так и для переменного,
• сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Вопросы влияния сопротивления соединений на значения параметров электрических цепей рассмотрены на странице «питание сигнализации, видеонаблюдения».
• участки цепи, обозначенные на схемах как резистор (R), можете рассматривать как отдельный элемент или совокупность элементов электрической цепи, имеющих общее сопротивление R.

Измерение напряжения.

Это измерение производится путем подключения вольтметра (мультиметра в режиме «измерение электрического напряжения») параллельно измеряемому участку (схема на рис.1). Следует отметить, что измерение между точками 1-5 даст значение напряжения на всей цепи, остальные случаи — для соответствующих участков.

Эту схему мы еще используем, рассматривая вопросы измерения силы электрического тока и сопротивления при помощи вольтметра.

Измерение силы тока.

Используется амперметр или мультиметр (тестер) в режиме «измерение тока», подключаемые последовательно измеряемой цепи. Значение силы электрического тока измеряется для всей цепи (схема — рис.2).

Измерение сопротивления.

Наиболее трудоемкий процесс. Во первых, при непосредственном подключении тестера (мультиметра) (схема рис.3) напряжение и ток в цепи должны отсутствовать, во вторых, (схема рис.4) другие элементы (участки) цепи будут оказывать влияние на результат, поэтому их придется отключить, чтобы схема измерения соответствовала рисунку 3.

Выход, однако, есть. Его рассмотрим ниже.

Косвенные измерения электрических величин.

Для этого самое время вспомнить закон Ома. Формула, а также ее производные, которые нам понадобятся выглядят следующим образом:

I=U/R (формула 1),

U=I*R (формула 2),

R=U/I (формула 3), где

I — электрический ток
U — напряжение
R — сопротивление.

Единицы измерения (размерность) указанных величин соответственно:

А — ампер,
В — вольт,
Ом — ом.

На практике (для слаботочных цепей) они не всегда удобны, поэтому можно использовать:

мА — милиампер (1000 мА=1А),
В — вольт,
кОм — килоом. (1000 Ом=1кОм).

Внимание! Одновременно используйте единицы измерения из одного ряда. Если Вы подставляете в формулу закона Ома значения силы тока в мА, то сопротивление получите в кОм и никак иначе.

Как можно видеть из приведенных выше формул, зная значения двух величин, можно вычислить третью. Рассмотрим практическое применение закона Ома при проведении измерений электрических величин. Из схемы измерения напряжения видно, что оно не требует нарушения электрической цепи, поэтому осуществляется наиболее просто. Измерение силы тока в последовательной цепи можно произвести один раз поскольку он будет одинаков во всех участках. Однако, следует быть внимательным, ибо, если схема цепи имеет вид, приведенный на рисунке слева, то суммарный ток распределится по участкам цепи, согласно закона Кирхгофа: I=I1+I2+In.

Завершая тему, продемонстрирую как на практике выглядит применение закона Ома при проведении электрических измерений.

Возьмем схему на рисунке 1. Предположим, что в результате измерений мы получили следующие значения:

Общая сила тока для цепи- I=0,5 A,
Напряжения U1=10 B, U2=5 B.

Тогда значения сопротивлений будут:

R1=U1/I=10/0,5=20 Ом
R2=U2/I=5/0,5=10 Ом.

Как видите, все просто.

© 2010-2021 г.г.. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов

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:

И моя реализация схемы 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:

Как вы можете видеть, окончательная формула V_вых 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 V_вых. 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 (V_ЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение V_ЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).

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 V_ЭБ составляет всего ~50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного ~4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного ~50 мВ, приведена ниже:

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 V_вых).

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 V_вых 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.

Оригинал статьи:

Теги

Сохранить или поделиться

Схема измерения тока на верхней стороне

Я думаю, я не могу избежать соблазна. Пытаться:

^{смоделировать эту схему — схема, созданная с использованием CircuitLab}

В обоих приведенных выше примерах вы хотите использовать сверхмалый источник питания, операционный усилитель ввода / вывода с низким смещением напряжения и тока. Я думаю, что LT1494 может быть по крайней мере интересным здесь. Операционный усилитель должен контролировать входы возле верхней направляющей (нижняя направляющая не будет иметь большого значения).

Ток питания операционного усилителя будет равен току в р 2 р 2 (плюс его собственные паразитные требования, поэтому вам нужен операционный усилитель с очень низким током питания) р 3 р 3 , Поскольку напряжения на входе узла приблизительно равны друг другу, это означает, что ток в р 2 р 2 является я L O A D ⋅ R 1 р 2 я L О D ⋅ р 1 р 2 , Таким образом, напряжение на левой стороне р 3 р 3 это просто пропорциональный выход, где В п р о п ≈ я L O A D ⋅ R 1 ⋅ R 3 р 2 В п р о п ≈ я L О D ⋅ р 1 ⋅ р 3 р 2 , Точное значение зависит. Но в этом случае я не думаю, что точность не очень важна для вас.

Правая сторона использует это разработанное напряжение для управления выходом индикатора BJT. Этот вывод является полной противоположностью того, что вы говорите, что хотите. Но я уверен, что вы можете решить, как инвертировать его.

[Я выбрал р 5 р 5 значение должно быть довольно высоким (в основном потому, что я думаю о том, чтобы поддерживать текущую нагрузку добавленной цепи достаточно низкой, и я не хотел добавлять большую нагрузку к напряжению, развиваемому через р 3 р 3 .)]

Я установил это для генерации активного выхода, когда ток нагрузки возрастает примерно 10 мА 10 мА , Вы указали ноль, но вы знаете, что здесь невозможно. Нужно использовать какое-то разумное значение. Я выбрал это. Вы можете выбрать что-то еще, если хотите.

Конечно, выделенные микросхемы (например, упомянутые Али Ченом), вероятно, являются лучшим вариантом.

Страница не найдена — Время электроники

Кажется мы ничего не нашли. Может быть вам помогут ссылки ниже или поик?

Архивы

Схема — измерение — ток

Схема — измерение — ток

Cтраница 1

Схемы измерения токов 1 1К11 ( г): Д — сопротивление; Ед — номин.  [2]

Схема измерения тока экранирующей сетки изображена на том же рисунке.  [4]

Некоторым недостатком схем измерения динамического тока с помощью моделирования процессов в якорной цепи является то, что параметры двигателя изменяются в зависимости от температуры в результате изменения сопротивления якоря, тогда как параметры модели остаются неизменными. Однако возможность такого несоответствия, которое иногда является причиной отказа от применения подобных схем, как будет показано ниже, явно преувеличивается.  [6]

На рис. 5.2 приведены схемы измерений акустоэлектрического тока и акустоэлектрической эдс в монокристаллах сернистого кадмия CdS. Измерительная цепь состоит из кристаллов CdS 1, звукопроводов 3 и излучающих 4 и приемных 5 ультразвуковых преобразователей.  [7]

На рис. 27 изображена схема измерения тока ячейки. Ея — источник тока, от которого при помощи реохорда Rpa напряжение подается на электролитическую ячейку Эя.  [9]

На рис. 25 — 1 изображены схемы измерения тока я нагрузке Z, питаемой генератором G. В случае рис. 25 — 1 а прибор отмечает не ток нагрузки / z, а сумму ( векторную. Ток же / с, отдаваемый генератором, измеряется с уменьшением на величину / ю; если сопротивления емкостей С2о и Сю не очень велики сравнительно с сопротивлением Z, то ошибка получается значительной.  [11]

Схема включает в себя следующие элементы: промежуточные трансформаторы тока ТТ и ГГ2; активно-емкостный фильтр тока обратной последовательности, схему ограничения, выпрямления и сглаживания, схему измерения тока обратной последовательности, сигнальный орган, отключающий орган.  [12]

Замыкающие контакты реле Р1 через регулятор напряжения Тр включают испытуемый БЭНП в сеть. Подключение схемы измерения тока утечки осуществляют посредством кнопки управления К. Одновременно размыкающий контакт реле Р2 отключает заземляющую жилу БЭНП от контура заземления. Схема измерения подключается к полюсам различной полярности кнопками управления К5 и Кб. Для защиты измерительной цепи от перегрузок при проведении испытаний применено реле максимального тока РТ.  [14]

Страницы:      1    2

Основы измерения тока: Часть 2

Примечание редактора. В первой части этой серии из трех частей обсуждались нюансы резисторов считывания тока. Во второй части обсуждается конструкция и использование усилителей для повышения развиваемого на них напряжения до приемлемых уровней. В части 3 обсуждается использование воронкообразных усилителей для усиления измерений тока в приложениях, где нагрузка приводится в действие более высокими напряжениями.

Токоизмерительные резисторы, также называемые шунтами, являются предпочтительной технологией для измерения тока.Чтобы не повлиять отрицательно на ток, они имеют небольшое значение, которое создает на них пропорционально малое напряжение. В результате разработчики должны использовать схемы, которые усиливают это небольшое напряжение для восходящего преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Небольшое напряжение на шунтирующем резисторе обычно необходимо повысить с десятков или сотен милливольт до десятых долей вольт или вольт. Эту задачу часто выполняет операционный усилитель (ОУ) или усилитель считывания тока.Усилитель считывания тока — это специализированный операционный усилитель с добавленной сетью прецизионных резисторов с лазерной подстройкой, встроенной в устройство для установки его усиления. Обычно коэффициент усиления по напряжению составляет от 20 до 60, а иногда и больше.

Усилитель считывания тока может включать или не включать в себя токовый шунтирующий резистор в том же корпусе. Для приложений большой мощности предпочтительнее использовать внешний шунтирующий резистор из-за рассеивания мощности, которое приводит к нагреву.

Наиболее распространенная конфигурация сигнальной цепи для контроля протекания тока включает в себя шунтирующий резистор, аналоговый интерфейс (AFE), аналого-цифровой преобразователь и системный контроллер (рисунок 1).AFE, такой как операционный усилитель или специальный усилитель измерения тока, преобразует небольшое дифференциальное напряжение, возникающее на шунтирующем резисторе, в напряжение, пригодное для использования для АЦП.

Рис. 1. Самый простой способ измерить ток — это использовать токовый шунтирующий резистор (крайний слева), на котором возникает напряжение, пропорциональное протекающему через него току. AFE усиливает низкое напряжение на шунтирующем резисторе, чтобы использовать весь диапазон измерения АЦП.(Источник изображения: Texas Instruments)

Существует два основных способа подключения шунтирующего резистора к цепи для измерения тока на стороне низкого и высокого уровня. У обоих подходов есть свои преимущества и недостатки.

Измерение тока на стороне низкого давления

При измерении тока на стороне низкого напряжения токовый шунтирующий резистор помещается между активной нагрузкой и землей. Наиболее подходящая схема для выполнения измерений тока на стороне низкого напряжения показана на рисунке 2. В схеме используется усилитель считывания тока Texas Instruments INA181, хотя многие другие усилители также могут использоваться для измерений на стороне низкого напряжения.

Рисунок 2: Схема измерения тока на стороне низкого напряжения с использованием INA181 Texas Instruments помещает резистор считывания тока между активной нагрузкой и землей. (Источник изображения: Texas Instruments)

Измерения тока на стороне низкого напряжения просты в реализации, поскольку измеряемое напряжение на токовом шунтирующем резисторе привязано к земле. Эта конфигурация позволяет усилителю считывания тока быть узлом низкого напряжения, потому что измеряемое напряжение только на порядок милливольт выше опорной точки заземления.В этой конфигурации напряжение считывания не зависит от более высокого напряжения, поэтому подавление синфазного сигнала не требуется. Метод измерения нижней стороны — самый простой и недорогой для реализации метод.

Недостатком измерения тока на стороне низкого напряжения является то, что нагрузка больше не привязана к земле из-за размещения шунтирующего резистора, в результате чего сторона низкого напряжения нагрузки находится на несколько милливольт над землей.

Отсутствие опорного заземления может стать проблемой при коротком замыкании между нагрузкой и землей.Такое короткое замыкание может произойти, например, если нагрузка в металлическом корпусе, такая как двигатель, имеет обмотку, замкнутую на корпус с заземлением. Токовый резистор, возможно, не сможет обнаружить такое короткое замыкание.

Кроме того, синфазное входное напряжение усилителя должно включать землю для измерения на стороне низкого напряжения. Обычно это не проблема для усилителей, работающих от положительного или отрицательного источника питания, но может быть проблемой для усилителей с одним источником питания. Следовательно, диапазон синфазного напряжения, который содержит землю, становится важным критерием при выборе подходящего усилителя для проведения измерений на стороне низкого напряжения.

Есть еще один важный аспект при измерениях малых боковых токов. Обратите внимание, что АЦП Texas Instruments ADS114 на рис. 2 напрямую связан с землей, и что входной узел нижнего уровня АЦП расположен рядом с опорным соединением заземления на входе усилителя считывания тока INA181.

Для измерения тока с использованием малых напряжений, возникающих на шунтирующих резисторах с низким сопротивлением, пропускающих большие токи нагрузки, важно помнить, что все земли могут иметь разный потенциал.Довольно легко развить разность в милливольтах между одной точкой заземления и другой в системе, когда сети заземления или плоскости заземления несут высокие токи, связанные со многими силовыми приложениями. В качестве меры предосторожности всегда убедитесь, что связанные провода заземления соединены вместе в очень непосредственной близости друг от друга, чтобы минимизировать разницу напряжений между ними.

Чтобы устранить этот источник ошибки, контакт заземления АЦП должен быть подключен в непосредственной близости от стороны низкого напряжения резистора считывания тока и входа стороны низкого напряжения усилителя считывания тока.Точка подключения просто не может быть какой-либо удобной частью заземляющего покрытия. Чтобы быть уверенным вдвойне, отметьте это требование прямо на схеме и покажите соединение звездой для заземления, чтобы действительно подчеркнуть точку.

Аналогичным образом, входное напряжение смещения усилителя считывания тока непропорционально влияет на точность усиления, когда напряжение на резисторе считывания тока невелико. По этой причине лучше выбирать усилитель с очень низким входным напряжением смещения.Усилитель INA181, показанный на Рисунке 2 выше, имеет входное напряжение смещения ± 150 микровольт для конфигураций измерения на стороне низкого напряжения, где отсутствует синфазное напряжение.

Несмотря на несколько недостатков, конфигурация измерения тока с низкой стороны является хорошим выбором, если нагрузка не требует заземления, и если внутренние короткие замыкания между нагрузкой и землей либо не являются проблемой, либо не должны обнаруживаться схемой измерения тока. .

Однако для конструкций, которые должны отвечать требованиям функциональной безопасности, метод измерения тока на стороне высокого напряжения является лучшим выбором.

Измерение тока на стороне высокого напряжения

При измерении тока на стороне высокого напряжения между источником питания и активной нагрузкой вставляется токовый шунтирующий резистор, как показано на рисунке 3, с использованием усилителя считывания тока INA240 от Texas Instruments в качестве AFE. Входное синфазное напряжение этого устройства может значительно превышать его напряжение питания, что делает его хорошим выбором для измерения высокого бокового тока.

Рисунок 3: В схеме измерения тока на стороне высокого напряжения резистор измерения тока размещается между источником питания и активной нагрузкой.(Источник изображения: Texas Instruments)

Измерения тока на стороне высокого напряжения имеют два ключевых преимущества перед измерениями на стороне низкого напряжения. Во-первых, легко обнаружить короткое замыкание, возникающее внутри нагрузки на землю, потому что результирующий ток короткого замыкания будет протекать через токовый шунтирующий резистор, создавая на нем напряжение. Во-вторых, этот метод измерения не привязан к земле, поэтому дифференциальные напряжения заземления, возникающие из-за высоких токов, протекающих через заземляющую пластину, не влияют на измерения.Тем не менее, по-прежнему рекомендуется аккуратно разместить опорное соединение заземления АЦП рядом с землей усилителя.

Метод измерения тока на стороне высокого напряжения имеет один главный недостаток. Как обсуждалось выше, для этого требуется, чтобы усилитель считывания тока имел высокое подавление синфазного сигнала, поскольку небольшое напряжение, развиваемое на токовом шунте, проходит чуть ниже напряжения питания нагрузки. В зависимости от конструкции системы это синфазное напряжение может быть довольно большим. Усилитель считывания тока INA240 на Рисунке 3 имеет широкий диапазон синфазных помех от -4 до 80 вольт.

Интегрированные резисторы усиления или нет?

На рисунках 2 и 3 показаны конфигурации измерения тока на стороне высокого и низкого уровня, в обеих из которых используются усилители считывания тока со встроенными резисторами настройки усиления. Эти встроенные резисторы обладают множеством конструктивных преимуществ, включая упрощение конструкции, уменьшение количества компонентов платы и точность усиления с лазерной подстройкой. Одним из больших недостатков использования таких усилителей является то, что коэффициент усиления постоянно устанавливается на заводе. Это не проблема, если настройка усиления подходит для данного приложения.Однако, если приложение требует уникального усиления, потому что номинал шунтирующего резистора был выбран для удовлетворения других критериев, то операционный усилитель в сочетании с дискретными резисторами — лучший выбор.

На рис. 4 показана схема усилителя считывания тока для измерения тока на стороне высокого напряжения на основе операционного усилителя Microchip Technology MCP6H01 и резисторов настройки дискретного усиления.

Рисунок 4: Конфигурация измерения тока на стороне высокого напряжения с использованием дискретных резисторов и операционного усилителя.(Источник изображения: Microchip Technology)

В этой схеме коэффициент усиления усилителя устанавливается как отношение ₂ рэндов к ₁ рэндов. Также обратите внимание, что R ₁ * = R ₁ , R ₂ * = R ₂ , и что токовый шунтирующий резистор R _SEN должен быть намного, намного меньше, чем R ₁ или R ₂ . Обычно это не проблема, потому что сопротивление токового шунтирующего резистора обычно составляет порядка миллиомов или даже долей миллиомов для приложений с очень сильным током.

Уравнения на рисунке 4 ясно показывают, что использование операционного усилителя и дискретных резисторов требует немного большей спецификации компонентов, чем при использовании усилителей считывания тока с внутренними резисторами настройки усиления.

Заключение

Усилители считывания тока преобразуют низкие напряжения, возникающие на шунтирующих резисторах, в более высокие напряжения, более совместимые с преобразованием АЦП. Возможны два типа измерения тока: нижняя сторона и высокая сторона. При измерениях на стороне низкого напряжения резистор измерения тока вставляется между нагрузкой и землей, в то время как при измерениях стороны высокого уровня резистор измерения тока вставляется между источником питания и нагрузкой.Конфигурации измерения как нижней, так и верхней стороны имеют преимущества и недостатки, поэтому выбор требует некоторого обдумывания и рассмотрения для данного приложения.

При измерении тока можно использовать либо специально созданный усилитель считывания тока с усилением, установленным на заводе с использованием встроенных резисторов с лазерной подстройкой, либо соответствующий операционный усилитель и дискретные резисторы. Первый вариант уменьшает количество компонентов платы и упрощает конструкцию AFE. Однако, если конструкция AFE требует настраиваемого усиления для соответствия определенному значению шунтирующего резистора и диапазону входного напряжения АЦП, второй вариант более уместен.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Помимо цифрового мультиметра: компоненты и схемы для измерения тока и напряжения

Цифровой мультиметр обычно является предпочтительным инструментом для измерения токов и напряжений на этапе создания прототипа, но цифровой мультиметр может быть далеко не удобным, когда вы работаете с собранными печатными платами или упакованными модулями.Кроме того, некоторым схемам необходимо контролировать и, возможно, анализировать токи и напряжения во время работы. Таким образом, важно понимать, как включить в вашу конструкцию функции контроля напряжения и тока.

Рекомендуемый уровень

Начинающий

Зависимость напряжения от тока

Основным моментом здесь является то, что измерять напряжение проще, чем измерять ток. Напряжение доступно просто путем электрического подключения к соответствующему узлу, и пока ваша измерительная схема имеет очень высокий импеданс (который легко достигается с помощью операционного усилителя), остальная часть схемы не будет существенно затронута.С другой стороны, измерения тока часто более навязчивы, потому что в путь тока вставлено небольшое сопротивление. Следовательно, если у вас есть выбор измерения тока или напряжения, выбирайте напряжение. Например, если вам нужно измерить ток, который уже протекает через резистор с точно известным значением, просто измерьте напряжение на этом резисторе и используйте закон Ома для расчета тока.

Напряжение

Основная цель любой измерительной системы — минимизировать степень, в которой процесс измерения влияет на измеряемую величину.При измерении напряжения это означает, что измерительная цепь должна иметь очень высокое входное сопротивление. Подумайте об этом так: если бы измерительная цепь отсутствовала, изолирующий материал вокруг провода или дорожки печатной платы обеспечил бы чрезвычайно высокое сопротивление. Таким образом, когда входное сопротивление измерительной цепи увеличивается, она ведет себя больше как простая разомкнутая цепь, и, таким образом, ее влияние на измеряемое напряжение становится менее значительным.

Высокий входной импеданс может быть достигнут с помощью простой схемы операционного усилителя, показанной ниже, которая называется повторителем напряжения.Он также обеспечивает низкий выходной импеданс, что помогает гарантировать, что показания не будут изменены последующими компонентами в измерительной цепи.

Помните, однако, что в реальных операционных усилителях возникают небольшие напряжения смещения и шума, поэтому выберите малошумящий операционный усилитель с низким смещением, если вам нужны высокоточные измерения.

Если вы измеряете напряжение, слишком высокое для входного диапазона операционного усилителя, вы можете использовать резистивный делитель напряжения вместе с повторителем напряжения:

С этими резисторами в цепи вы больше не пользуетесь высоким входным сопротивлением операционного усилителя.Для обеспечения точности измерений суммарное сопротивление R ₁ и R ₂ должно быть значительно больше, чем выходное сопротивление измеряемой цепи. Однако это требует компромисса, поскольку более высокое сопротивление ведет к снижению точности измерения: большее сопротивление означает больший тепловой шум и большее напряжение смещения, создаваемое входным током смещения операционного усилителя. В качестве примера предположим, что R ₁ = R ₂ (это означает, что измеренное напряжение уменьшается вдвое) и что выходное сопротивление измеряемой цепи составляет 100 Ом.Этот график показывает разницу между истинным напряжением и измеренным напряжением — другими словами, погрешность измерения — с R ₁ и R ₂ , изменяющейся от 1 кОм до 1 МОм.

Для этого примера хорошим компромиссом было бы R ₁ = R ₂ = 100 кОм, поскольку увеличение сопротивления выше этой точки мало влияет на ошибку измерения.

Ток

Большинство измерений тока в цепи делятся на две основные категории: резистивные и магнитные.В резистивном подходе небольшой резистор вставляется в путь тока, и дифференциальный усилитель измеряет падение напряжения на резисторе. Для измерения магнитного тока используется чувствительное устройство, которое генерирует напряжение, когда ток, проходящий через устройство, подвергается влиянию магнитного поля. Обе стратегии имеют свои преимущества и недостатки.

Измерения сопротивления обычно более точны и могут использоваться в широком диапазоне амплитуд и частот тока, а необходимые компоненты недороги и легко доступны.Основным преимуществом магнитных измерений является изоляция: нет электрического соединения между датчиком и токопроводящей дорожкой, и в цепь не добавляется сопротивление, измеряющее ток. Отсюда следует, что магнитные датчики предпочтительнее для очень высоких токов, которые могут вызвать чрезмерное рассеивание мощности при измерении с помощью резистора для измерения тока.

Применение закона Ома

Базовая резистивная схема измерения тока включает прецизионный резистор и дифференциальный усилитель:

Дифференциальное усиление может быть достигнуто с помощью инструментального усилителя или даже схемы, основанной на стандартных операционных усилителях, но вы должны сначала найти подходящую часть среди усилителей с датчиком тока, которые, как следует из названия, специально разработаны для усиления напряжения на токоизмерительных резисторах.

Основным компромиссом здесь является номинал резистора. Резистор меньшего размера будет рассеивать меньше энергии и будет меньше влиять на измеряемый ток, но меньшее сопротивление также генерирует более низкое напряжение, которое больше подвержено ошибкам, вызванным шумом и напряжениями смещения.

Использование эффекта Холла

Преобразователи магнитного тока, обычно называемые датчиками на эффекте Холла, используют приложенное магнитное поле для генерирования напряжения, пропорционального току, проходящему через устройство.

Напряжения, создаваемые эффектом Холла, очень малы, и поэтому практические устройства содержат схемы для формирования и усиления сигнала. Датчики на эффекте Холла считаются ненавязчивыми, поскольку единственное сопротивление, вводимое в путь прохождения тока, — это сопротивление первичного проводника в устройстве — например, только 1,1 мОм в Allegro ACS709. Связь между выходным напряжением и измеряемым током для этого конкретного устройства иллюстрируется следующим графиком:

Замыкание контура

Схемы и устройства, рассмотренные до сих пор, просто преобразуют напряжение или ток в буферизованный масштабированный сигнал напряжения — нам все еще нужно фактически использовать эту измеряемую величину.Если ваше единственное требование — обнаружить неисправность и инициировать реакцию, вы можете использовать простую схему компаратора, которая активируется, когда измеряемый сигнал поднимается выше или ниже заранее определенного порога. Тем не менее, часто вам нужно делать больше с вашими измерениями: сохранять данные, анализировать тенденции, обнаруживать резкие увеличения или уменьшения, отправлять измерения на ПК и т. Д. В этом случае микроконтроллер со встроенным АЦП является мощным и мощным универсальное решение, позволяющее удобно оцифровывать сигналы, анализировать оцифрованные данные и выполнять широкий спектр корректирующих мер.

Измерение тока на стороне высокого напряжения: Circ | Максим Интегрированный

Измерение тока (т. Е. Контроль протекания тока в электронных схемах и из них) является важным навыком для проектировщика и необходимым в широком диапазоне приложений. Примеры приложений включают в себя защиту от перегрузки по току, системы 4–20 мА, зарядные устройства, управление светодиодами высокой яркости, источник питания базовой станции GSM и управление двигателем с Н-мостом, для которых необходимо знать соотношение тока, протекающего в перезаряжаемую батарею и выходящего из нее. (то есть калибровочная функция).

По мере того, как все больше приложений становятся портативными, возрастает спрос на специализированные мониторы тока, которые выполняют свою задачу в небольшом корпусе и с низким током покоя. Следующее обсуждение охватывает мониторы тока низкого и высокого уровня, а также включает их архитектуру и приложения.

Монитор высокого или низкого давления?

В большинстве приложений для измерения тока используется либо принцип низкой стороны, при котором измерительный резистор подключается последовательно с путем заземления (, рис. 1 ), либо принцип верхней стороны, при котором он подключается последовательно с проводом под напряжением ( Рисунок 2 ).Эти два подхода представляют собой компромисс в разных областях. Резистор на стороне низкого напряжения добавляет нежелательное постороннее сопротивление в цепи заземления. Однако схема, связанная с резистором на стороне высокого напряжения, должна справляться с относительно большими синфазными сигналами. Более того, если на ОУ на Рисунке 1 вывод GND относится к положительной стороне R _SENSE , то его синфазный входной диапазон должен простираться ниже нуля, то есть до GND — (R _SENSE × I _{НАГРУЗКА} ).

Рисунок 1.Принцип монитора низкого тока.

Рисунок 2. Пример монитора высокого тока.

Однако не позволяйте простоте схемы измерения на стороне низкого напряжения заставлять вас упускать из виду преимущества подхода на стороне высокого напряжения. Различные неисправности могут обходить монитор нижней стороны, тем самым подвергая нагрузку опасному и необнаруженному напряжению (, рис. 3, ). Обратите внимание, что нагрузки, подключенные по пути A, отслеживаются, но случайное подключение по пути B обходит монитор.С другой стороны, монитор высокого напряжения, подключенный непосредственно к источнику питания, может обнаруживать любые неисправности в нисходящем направлении и запускать соответствующие корректирующие действия. Мониторы верхнего плеча также хорошо подходят для автомобильных приложений, в которых шасси служит заземляющим потенциалом.

Рис. 3. Путь B может нести опасно высокие токи, если нагрузка случайно подключена к земле.

Традиционный монитор высокого давления

Ранее многие реализации этих двух подходов основывались на дискретных компонентах или полудискретных схемах.В своей простейшей форме для таких мониторов высокого напряжения требуется прецизионный операционный усилитель и несколько прецизионных резисторов. Одним из распространенных подходов к измерениям на стороне высокого напряжения является использование классического дифференциального усилителя, который используется в качестве усилителя усиления и переключателя уровня со стороны высокого напряжения на землю (, рис. 4, ). Хотя эта дискретная схема широко используется, у нее есть три основных недостатка:

• Входное сопротивление (равное R1) относительно низкое.
Входы
• обычно имеют большую разницу во входном сопротивлении.
Резисторы
• должны быть очень хорошо согласованы, чтобы получить приемлемый коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR): отклонение 0,01% в любом значении резистора снижает CMRR до 86 дБ, отклонение 0,1% снижает его до 66 дБ, а отклонение 1% снижает его. до 46 дБ.

Мониторинг высокого тока вынудил разработать для этой цели ряд новых интегральных схем. С другой стороны, измерение нижних частот не привело к разработке многих новых интересных микросхем.

Рисунок 4.Дифференциальный усилитель является основным компонентом при измерении тока на стороне высокого напряжения.

Интегральный дифференциальный усилитель

Использование дифференциальных усилителей при измерении тока на стороне высокого напряжения стало более удобным благодаря появлению множества ИС, содержащих как прецизионный усилитель, так и хорошо согласованные резисторы. Эти устройства предлагают CMRR порядка 105 дБ. Примером может служить MAX4198 / MAX4199 (, рис. 5, ). Доступные в 8-выводных корпусах µMAX, эти ИС достигают типичного CMRR 110 дБ и имеют ошибку усиления лучше 0.01%.

Рис. 5. Интегрированный дифференциальный усилитель (MAX4198 / MAX4199) показывает очень высокий CMRR.

Специальные мониторы высокого давления

Другой подход к измерению тока на стороне высокого напряжения представлен ИС, которые содержат все функции, необходимые для выполнения измерения. Они измеряют токи на стороне высокого напряжения при наличии синфазных напряжений до 32 В и обеспечивают выход источника тока или напряжения с привязкой к земле, который пропорционален интересующему току.Управление питанием, зарядка аккумулятора и другие приложения, которые должны точно измерять или контролировать ток, могут извлечь выгоду из этих специализированных усилителей с датчиком тока.

Усилители с датчиком тока на стороне высокого напряжения от Maxim используют резистор с датчиком тока, расположенный между положительной клеммой источника питания и входом питания контролируемой цепи. Такая компоновка позволяет избежать постороннего сопротивления в заземляющем слое, значительно упрощает компоновку и, как правило, улучшает общие характеристики схемы.Разнообразие однонаправленных и двунаправленных токочувствительных ИС от Maxim включает двунаправленные устройства с внутренними чувствительными резисторами или без них. Двунаправленные усилители содержат знаковый штырь для указания направления тока.

Эти однонаправленные и двунаправленные токочувствительные ИС включают модели с регулируемым усилением, фиксированным внутренним усилением + 20 В / В, + 50 В / В или + 100 В / В и внутренним усилением, а также с одним или двумя компараторами. Они поставляются в небольших упаковках, чтобы соответствовать строгим требованиям компактных приложений.

Общим для всех мониторов микросхем высокого напряжения от Maxim является возможность обеспечивать выходы напряжения или тока с привязкой к земле с небольшим количеством дополнительных компонентов или без них. Выходной сигнал пропорционален измеренному току на стороне высокого напряжения, синфазное напряжение которого может достигать 32 В. На рисунках 6 с по 9 показаны некоторые доступные архитектуры для встроенного монитора высокого тока. Обратите внимание, что выход источника тока MAX4172 пропорционален напряжению на R _SENSE .

Уравнения для новых мониторов верхнего плеча показывают, что влияние внешних резисторов на CMRR больше не является проблемой, потому что MRR (обычно> 90 дБ) теперь определяется только интегрированным усилителем. Интеграция функции измерения тока в единую ИС дает следующие преимущества:

• Жесткие допуски на активные и пассивные интегрированные компоненты
• Отличный температурный коэффициент (ТК)
• Малый размер
• Низкое энергопотребление
• Удобство использования

Рисунок 6.Это упрощенная схема двунаправленного монитора высокого тока (MAX9928 / MAX9929), включающего в себя выход SIGN для направления тока.

Рис. 7. Однонаправленный монитор высокого тока (MAX4372).

Рис. 8. Еще один однонаправленный монитор высокого тока (MAX4172).

Рис. 9. Еще одна архитектура для однонаправленного монитора высокого тока (MAX4173).

Рекомендации при выборе R

Тщательное рассмотрение шунтирующего резистора (R _SENSE ) является важной и необходимой частью разработки любого типа монитора тока.Следующие критерии должны определять выбор R _SENSE :

• Потеря напряжения: Высокий R _{SENSE Значения} вызывают напряжение источника питания ухудшаться из-за потери ИК-излучения. Наименьшее значение R _SENSE дает наименьшее потеря напряжения.
• Точность: Высокие значения R _SENSE позволяют измерять токи низкого уровня более точно, потому что смещение напряжения и входного смещения тока смещения менее значимы по отношению к измеряемому напряжению.
• КПД и рассеиваемая мощность: При высоких уровнях тока Потери I²R в R _SENSE могут быть значительными, поэтому примите это во внимание. при выборе номинала резистора и мощности рассеиваемой мощности (мощности). Избыточное нагревание сенсорного резистора также может привести к изменению его значения.
• Индуктивность: Если I _SENSE имеет большую высокочастотную составляющую, R _SENSE должен иметь низкую индуктивность. Резисторы с проволочной обмоткой имеют наивысшую индуктивность.Немного лучше металлопленочные резисторы, но малоиндуктивные. Рекомендуются металлопленочные резисторы (доступные номиналом до 1,5 Ом). В отличие от металлопленочного и проволочного типов (т. Е. Спирально намотанных вокруг сердечник), малоиндуктивные металлопленочные резисторы состоят из прямой полосы металла.
• Стоимость: Использование дорожки печатной платы в качестве чувствительного резистора ( Рисунок 10 ) это альтернативный метод для приложений, в которых стоимость R _SENSE составляет проблема. Вам нужно будет отрегулировать значение тока полной шкалы с помощью потенциометр из-за неточности сопротивления меди.В Температурный коэффициент сопротивления меди достаточно высокий (примерно 0,4% / ° C) в системах, которые подвергаются сильным колебаниям температуры.

Рис. 10. В этом мониторе тока высокого напряжения (MAX4172) используется трассировка печатной платы для R _SENSE .

Приложения для монитора высокого уровня

Схема на рис. 11 . — это переменный линейный источник тока. IC1 преобразует ток R1 в пропорциональное выходное напряжение, позволяя регулятору напряжения (IC2) производить регулируемый выходной ток.Чтобы установить конкретный регулируемый уровень I _OUT между 0 мА и 500 мА, подайте от 5 В до 0 В на I _CONTROL (5 В устанавливает I _OUT = 0 мА, а 0 В устанавливает I _OUT = 500 мА). В качестве альтернативы вы можете ввести цифро-аналоговый преобразователь, как показано, для обеспечения цифрового управления I _OUT . Для 12-битного разрешения (60 мкА на младший бит) ЦАП может быть MAX530 с параллельным входом или MAX531 с последовательным входом. При разрешении 10 бит (250 мкА на младший бит) ЦАП может быть MAX503 с параллельным входом или MAX504 с последовательным входом.

Рис. 11. Переменный линейный источник тока (MAX603).

Цепь Рис. 12 представляет собой программируемый источник переменного тока 0–5 А. Вырабатывая ток от 0 до 5 А с диапазоном соответствия от 4 до 28 В, он предлагает два преимущества: 12-битный цифро-аналоговый преобразователь делает его программируемым цифровым способом, а понижающий регулятор (IC1) в режиме переключения делает его более эффективным, чем альтернативный вариант. источник тока с линейным проходным транзистором. Применения включают защиту от перегрузки по току, системы 4–20 мА, зарядные устройства, управление светодиодами высокой яркости, источник питания базовой станции GSM и управление двигателем с Н-мостом.

Рис. 12. Программируемый источник тока 0–5A (MAX4173).

Широкое использование универсальной последовательной шины (USB) привело к появлению множества схем защиты от перегрузки по току для шин питания в диапазоне от 2,7 В до 5,5 В, но лишь немногие продукты доступны для напряжений выше этого диапазона. Автоматический выключатель на рис. 13 . работает при напряжении питания до 26 В и срабатывает при запрограммированном пороговом значении тока.

Рис. 13. Этот высоковольтный выключатель (MAX4172) защищает до 26 В.

Компоненты и методы измерения тока

Измерение тока используется для выполнения двух основных функций схемы. Во-первых, он используется для измерения «сколько» тока протекает в цепи, что может использоваться для принятия решений об отключении периферийных нагрузок для экономии энергии или возврата работы к нормальным пределам. Вторая функция — определить, когда это «слишком много» или это состояние неисправности. Если ток превышает безопасные пределы, условие программной или аппаратной блокировки выполняется и выдает сигнал для выключения приложения, например, двигателя в остановленном состоянии или короткого замыкания.Важно выбрать подходящую технологию с необходимой надежностью, чтобы должным образом выдерживать экстремальные условия, которые могут возникнуть во время неисправности.

Сигнал, указывающий на условие «сколько» и «слишком много», доступен в различных методах измерения:

1. Резистивный (прямой)
   а. Резисторы считывания тока
   б. Сопротивление индуктивности постоянному току
2. Магнитный (непрямой)
   а. Трансформатор тока
   б.Катушка Роговского
   c. Устройство на эффекте Холла
3. Транзистор (Прямой)
   а. R _{DS (ВКЛ)}
   б. Передаточно-метрическая

Каждый метод имеет преимущества для измерения тока, но также требует компромиссов, которые могут иметь решающее значение для конечной надежности приложения. Их также можно разделить на две основные категории методов измерения; прямые или косвенные. Прямой метод означает, что он подключен непосредственно к измеряемой цепи и что измерительные компоненты подвергаются воздействию линейного напряжения, тогда как косвенный метод обеспечивает изоляцию, которая может быть необходима для безопасности конструкции.

Резистор считывания тока

Резистор — это прямой метод измерения тока, который отличается простотой и линейностью. Резистор считывания тока помещается в линию с измеряемым током, и возникающий в результате ток вызывает преобразование небольшого количества энергии в тепло. Это преобразование мощности и обеспечивает сигнал напряжения. Помимо благоприятных характеристик простоты и линейности, резистор считывания тока является экономичным решением со стабильным температурным коэффициентом сопротивления (TCR).

Сопротивление индуктора постоянному току

Сопротивление индуктивности постоянному току также можно использовать для измерения резистивного тока.Этот метод считается «без потерь» из-за низкого значения сопротивления меди, обычно

Трансформатор тока

заключаются в том, что он обеспечивает изоляцию от сетевого напряжения, обеспечивает измерение тока без потерь, а напряжение сигнала может быть большим, что обеспечивает некоторую помехоустойчивость. Этот метод косвенного измерения тока требует изменения тока, такого как переменный, переходный или коммутируемый постоянный ток; для создания изменяющегося магнитного поля, которое магнитно связано с вторичными обмотками (рис.1). Вторичное измерительное напряжение можно масштабировать в соответствии с соотношением витков первичной и вторичной обмоток. Этот метод измерения считается «без потерь», потому что ток цепи проходит через медные обмотки с очень небольшими резистивными потерями. Однако небольшая мощность теряется из-за потерь трансформатора на нагрузочном резисторе, потерь в сердечнике, а также сопротивления первичной и вторичной обмоток постоянному току.

Катушка Роговского

Катушка Роговского похожа на трансформатор тока тем, что на вторичную катушку наводится напряжение, пропорциональное току, протекающему через изолированный проводник.Исключением является то, что пояс Роговского (рис. 2) представляет собой конструкцию с воздушным сердечником, в отличие от трансформатора тока, который использует сердечник с высокой магнитной проницаемостью, такой как многослойная сталь, для магнитного соединения с вторичной обмоткой. Конструкция с воздушным сердечником имеет более низкую индуктивность, что обеспечивает более быструю реакцию на сигнал и очень линейное напряжение сигнала. Из-за своей конструкции он часто используется в качестве временного метода измерения тока в существующей проводке, такой как портативный измеритель. Это можно рассматривать как более дешевую альтернативу трансформатору тока.

Эффект Холла

Когда проводник с током помещается в магнитное поле, как показано на рис. 3, возникает разность потенциалов перпендикулярно магнитному полю и направлению тока. Этот потенциал пропорционален величине протекающего тока. Когда нет магнитного поля и есть ток, разницы потенциалов нет. Однако, когда существует магнитное поле и ток, заряды взаимодействуют с магнитным полем, вызывая изменение распределения тока, что создает напряжение Холла.

Преимущество устройств на эффекте Холла заключается в том, что они способны измерять большие токи с малой рассеиваемой мощностью. Однако существует множество недостатков, которые могут ограничить их использование, включая нелинейный температурный дрейф, требующий компенсации, ограниченная полоса пропускания, обнаружение тока низкого диапазона требует большого напряжения смещения, которое может привести к ошибке, восприимчивости к внешним магнитным полям и высокой стоимости.

считаются методом обнаружения перегрузки по току «без потерь», поскольку они являются стандартными управляющими компонентами схемы, и для подачи управляющего сигнала не требуется дополнительных устройств сопротивления или рассеивания мощности.В технических характеристиках транзисторов указано сопротивление в открытом состоянии сток-исток, R _{DS (ON)} , с типичным сопротивлением в диапазоне мОм для силовых полевых МОП-транзисторов (рис. 4). Это сопротивление состоит из нескольких компонентов, которые начинаются с выводов, подключаемых к полупроводниковому кристаллу через сопротивление, которое составляет многочисленные характеристики канала. Основываясь на этой информации, ток, проходящий через полевой МОП-транзистор, можно определить по формуле I _Load = V _{RDS (ON)} / R _{DS (ON)} .

Каждая составляющая R _{DS (ON)} вносит свой вклад в ошибку измерения, которая возникает из-за незначительных изменений сопротивлений областей интерфейса и эффектов TCR. Эффекты TCR можно частично компенсировать путем измерения температуры и корректировки измеренного напряжения с учетом ожидаемого изменения сопротивления из-за температуры. Часто TCR для полевых МОП-транзисторов может достигать 4000 ppm / ° C, что эквивалентно изменению сопротивления на 40% при повышении температуры на 100 ° C. Как правило, этот метод обеспечивает точность сигнала приблизительно от 10% до 20%.В зависимости от требований к точности это может быть приемлемым диапазоном для обеспечения максимальной токовой защиты.

Метрические полевые МОП-транзисторы с измерением тока

МОП-транзистор состоит из тысяч параллельных транзисторных ячеек, которые уменьшают сопротивление в открытом состоянии. Чувствительный к току полевой МОП-транзистор, показанный на рис. 5, использует небольшую часть параллельных ячеек и подключается к общим затворам и стокам, но с отдельным источником. Это создает второй изолированный транзистор; «Смысловой» транзистор. Когда транзистор включен, ток через транзистор считывания будет в соотношении, сравнимом с основным током через другие ячейки.

В зависимости от транзистора диапазон допуска точности может варьироваться от 5% до 15–20%. Это не подходит для приложений контроля тока, которые обычно требуют точности измерения 1%, но предназначено для защиты от перегрузки по току и короткого замыкания.

Преимущества резисторной технологии

Thin Film обычно не используется для текущих сенсорных приложений, но включен в это обсуждение, чтобы расширить тему. Как правило, эти резистивные изделия предназначены для прецизионных применений, поскольку диапазон резистивного слоя составляет от 0.От 000001 до 0,000004 дюйма толщиной. Они достаточно устойчивы к скачкам напряжения в соответствующем приложении, но не рассчитаны на высокие токи, обычно связанные с упомянутыми здесь приложениями.

, обычно толщиной от 0,0005 до 0,002 дюйма, почти в 100 раз толще, чем тонкая пленка. Увеличенная толщина соответствует большей массе, которая лучше способна переносить относительно высокие токи и рассеивать тепло по подложке, а также лучше справляться с переходными процессами.Еще одним преимуществом толстопленочной продукции является гибкость при запросе стандартных значений сопротивления благодаря высокой эффективности процесса лазерной обрезки. Компромисс толстой пленки заключается в том, что эти продукты не так способны выдерживать очень жесткие допуски, как у тонкопленочных продуктов.

Технология фольги имеет большее поперечное сечение и представляет собой однородный резистивный сплав, который отличается от технологии толстой пленки, в которой используются резистивные материалы, подвешенные в стеклянной матрице. Для сравнения, фольга имеет тенденцию выдерживать более высокие переходные процессы от перенапряжения по сравнению с предыдущими версиями.Принципиальным преимуществом этой технологии является низкий диапазон омических значений с низким TCR.

Резисторы из объемного сплава имеют максимальную устойчивость к перенапряжениям из-за их большой токонесущей массы. Он доступен со значениями сопротивления от 0,000 5 Ом с низким TCR. Сплав в массе обычно является лучшим выбором для сильноточных источников питания или там, где неисправность может привести к возникновению экстремальных токов. Эти продукты не обладают таким широким предложением сопротивления, как продукты с толстой пленкой, потому что резисторный сплав имеет ограниченное удельное сопротивление для достижения высоких значений диапазона, а также требует механической прочности, чтобы выдерживать технологические операции.

Особенности продукта

Сильноточные приложения требуют, чтобы значение сопротивления было очень низким, чтобы минимизировать потери мощности, и в то же время обеспечивать необходимый уровень сигнала для обеспечения сигнала напряжения, достаточно высокого для превышения уровня шума. Для этих низких значений омического сопротивления часто требуется четырехконтактное соединение, чтобы уменьшить ошибки, которые могут возникнуть из-за контактного сопротивления, возникающего при установке детали на плату.

CSL (рис. 6a) предлагает четыре клеммы по конструкции, но другие стандартные устройства для поверхностного монтажа могут выиграть от конструкции с четырьмя клеммами.Эти части предлагают физически разделенные точки подключения для тока и напряжения, что снижает погрешность измерения, связанную с контактами. В случае CSL ток будет протекать через внутренние штыри, а напряжение измеряется на внешних штырях, и рекомендуется для лучшей точности с LRF3W, который должен быть сконфигурирован как устройство с поперечным потоком с током на диаметрально противоположных углах (например, контакт 2 к контакту 3).

Расположение контактных площадок (рис. 6b) создает отдельные области для измерения напряжения сигнала от токоведущей части, что снижает погрешность.Конструкция контактной площадки 1 иллюстрирует один метод, который создает изолированную область контактной площадки внутри схемы контактной площадки, но эта конструкция может уменьшить площадь контактной площадки ниже необходимых пределов, чтобы пропускать высокие токи через медную дорожку. В конструкции контактной площадки 2 используется металлическое сквозное отверстие для подключения под контактной площадкой и соединения с внутренней или внешней дорожкой для измерения; это максимизирует пространство контактной площадки для передачи тока к резистору. Контактная точка помещает сигнальную линию как можно ближе к текущему каналу; минимизация погрешности измерения.

Теплоизоляция

OARS (открытый резистор для поверхностного монтажа) представляет собой уникальную конструкцию, которая поднимает горячую точку резистивного материала намного выше материала печатной платы.Это помещает самую горячую область детали в доступный воздушный поток, который рассеивает максимальное количество тепловой энергии в воздухе, а не на печатной плате.

Это дает два ключевых преимущества для теплового расчета, которые влияют на материал печатной платы и другие соседние силовые или полупроводниковые компоненты. Типичный материал печатной платы FR4 рассчитан только на 130 ° C; силовой резистор, который обычно прилегает к плате, может вызвать повреждение материала во время скачков мощности или снизить верхние пределы температурных характеристик схемы.Повышенное значение тока предотвращает повреждение материала схемы и позволяет паяному соединению охладиться. Второе преимущество за счет отвода тепла в воздух вместо печатной платы — это улучшенная производительность расположенных поблизости устройств, подверженных тепловому воздействию. Эти эффекты могут включать номинальный срок службы, мощность, световой поток, точность и надежность.

Тепловизионные изображения, показанные на рис. 7, помогают проиллюстрировать изоляционные характеристики продуктов OAR и OARS. Эти испытания проводились на картонном материале FR4 без окружающего воздушного потока; воздушный поток улучшит тепловые характеристики системы.Следите за температурой паяного соединения по отношению к горячей точке. Эти температуры основаны на достижении теплового равновесия, однако в приложении эти результаты могут быть расширены, чтобы их можно было рассматривать как тепловые рабочие характеристики для условий максимальной токовой защиты. FR4 не будет превышать свой температурный рейтинг, хотя существуют экстремальные условия цепи.

Напряжение паяного соединения

Изогнутая и приподнятая конструкция семейства резистивных продуктов OARS позволяет резистору изгибаться.Эта конструкция снижает напряжение, создаваемое различиями в коэффициентах теплового расширения между выделяющим тепло металлом и материалом рассеивающей печатной платы. Компоненты для поверхностного монтажа, которые являются плоскими и параллельными печатной плате, будут прикладывать усилия сдвига к паяным соединениям, что может привести к выходу из строя или изменению характеристик. В приложениях с интенсивным термоциклированием OARS предпочтительнее других подобных цельнометаллических конструктивных элементов из-за этой гибкости (рис. 8).

LRF3W (рис.9) от TT electronics обеспечивает ряд преимуществ конструкции, обусловленных соотношением сторон 1225 с заделкой вдоль длинной стороны компонента. Боковая заделка увеличивает номинальную мощность до 3 Вт, избавляя от необходимости уменьшать дорожки цепи, как того требует традиционная площадь основания 2512. Это также снижает напряжения в паяных соединениях из-за различий в температурном коэффициенте расширения керамики и материала печатной платы. Соотношение сторон 1225 уменьшает расстояние между центром / горячей зоной детали и теплоотводящим материалом печатной платы.Это обеспечивает высокую мощность 3 Вт и снижает нагрузку на паяное соединение из-за различий в температурных коэффициентах расширения керамической подложки и тепловой массы материала печатной платы.

Статьи по теме

Чувствительный к току индуктора повышает КПД регулятора

Измерение входного тока понижающего или обратного преобразователя

Фильтр измеряет ток в высоковольтных двигателях

Усовершенствованные костюмы для измерения тока High-Rel Systems

Как измерить ток цепи с помощью шунтирующего резистора

В последние годы возросла потребность в многофункциональных и повышающих безопасность электронных схемах, в которых используется измерение тока.Мы представим метод определения тока с помощью шунтирующего резистора и фактически запустим схему определения тока, чтобы увидеть, как она себя ведет.

Содержание

‧ Измерьте ток для безопасного запуска цепи
‧ Основы схем обнаружения тока и шунтирующего сопротивления
‧ Подключение шунтирующих резисторов к схемам дифференциального усилителя
‧ Изготовление схемы обнаружения тока и ее измерение
‧ Наблюдение за током с помощью осциллографа
‧ Повышение точности и детектирования тока за счет изменения сопротивления шунта
‧ Резюме

Измерьте ток для безопасной работы цепи

Растет потребность в многофункциональных устройствах и усовершенствованиях безопасности, в которых используются измерения тока для устройств, оснащенных более новыми электронными схемами.
Например, схема мониторинга для обнаружения перегрузки по току и ненормальной работы цепи и ее безопасного останова, функция для зарядки аккумулятора и измерения емкости аккумулятора, а также мониторинг тока также важны для управления двигателем, поэтому мониторинг тока стал незаменимой технологией в современной схемотехнике.
Мы представим метод определения тока и фактически запустим схему обнаружения тока, чтобы увидеть, как она себя ведет.
Основы цепей обнаружения тока и шунтирующего сопротивления

Чип-резистор со сверхнизким сопротивлением для определения тока (PMR)

Чип-резистор со сверхнизким сопротивлением для определения тока / электрод длинной стороны (PML

Вы можете подумать, что схемы обнаружения тока сложны, но сам принцип представляет собой простую схему, в которой используется «закон Ома», который, можно сказать, лежит в основе электронных схем.Резистор для определения тока вставляется последовательно, и падение напряжения на резисторе преобразуется в значение тока с использованием закона Ома для определения тока.
Резистор, используемый для определения тока, называется «шунтирующим резистором».
Шунтирующий резистор — это электронный компонент, используемый для измерения и определения тока. Значения сопротивления варьируются от 100 мкОм до нескольких 100 мОм, при этом наиболее часто используемое значение сопротивления составляет от нескольких мОм до нескольких сотен мОм. В идеале вы должны использовать шунтирующий резистор с минимально возможным сопротивлением, но на самом деле вы должны выбирать его в соответствии с коэффициентом усиления операционного усилителя и измеряемым значением тока.
Особенно при низком сопротивлении величина падения напряжения мала, и микроконтроллеру трудно обнаружить напряжение, поэтому для обнаружения тока используйте высокоточный операционный усилитель с небольшим входным напряжением смещения.
Метод определения тока, в котором используются шунтирующий резистор и операционный усилитель, называется «усилителем считывания тока».

Между прочим, шунт шунтирующего резистора означает «Шунт: избегать / уезжать». Первоначально это означало, что резистор был вставлен параллельно, чтобы расширить диапазон измерения аналогового амперметра.В последнее время сам чип-резистор для определения тока был назван шунтирующим резистором. Даже если использование со временем меняется, имя обычно остается прежним.

Подключение шунтирующих резисторов к цепям дифференциального усилителя

В принципе, схема определения тока с использованием шунтирующего резистора представляет собой простую схему, которая измеряет только напряжение. Однако, поскольку падение напряжения на шунтирующем резисторе невелико, необходимо создать схему, которая может усилить напряжение с высокой точностью.Поэтому используется схема дифференциального усилителя, в которой используется операционный усилитель.

Для операционных усилителей, используемых для определения тока, используйте высокоточный операционный усилитель с низким входным напряжением смещения. Поскольку напряжение смещения вызывает ошибки измерения при обнаружении малых напряжений, используйте «высокоточный операционный усилитель» с минимально возможным напряжением смещения или «усилитель смещения нуля», который автоматически регулирует входное напряжение смещения.

Обнаружение текущего значения цепи с помощью цепи обнаружения тока

Давайте на самом деле создадим схему обнаружения тока, используя шунтирующий резистор и операционный усилитель, и проверим, как этот ток обнаруживается.Схема обнаружения тока выглядит следующим образом.

Это цепь обнаружения тока, которую необходимо изготовить. Схема дифференциального усилителя определяет напряжение шунтирующего резистора, затем усиливает его до сигнала напряжения, который в 15 раз выше, и выдает его.

В качестве шунтирующего резистора используется микросхема 62 мОм. Максимальное значение тока, которое можно измерить, определяется потребляемой мощностью чип-резистора. В настоящее время мы используем продукт мощностью 1 Вт, поэтому он становится W = I2R, 1 Вт ≒ 4 А × 4 А × 62 мОм, и было подсчитано, что ток может протекать до 4 А.

РОХМ, резистор обломока 62мОм 1Вт

Если степень усиления для измерения тока слишком велика, она превысит рабочее напряжение операционного усилителя, поэтому отрегулируйте степень усиления с учетом максимального тока. Поскольку на этот раз степень усиления установлена ​​в 15 раз, на выходе операционного усилителя будет 3 В, когда протекает максимальный ток шунтирующего сопротивления 4 А.

Операционный усилитель ROHM LMR1802G-LB.Усилитель датчика с низким уровнем шума, низким входным напряжением смещения и низким входным током смещения.

ROHM использует в качестве операционного усилителя самый малошумящий операционный усилитель в отрасли, EMARMOUR «LMR1802G-LB». Этот операционный усилитель имеет небольшое входное напряжение смещения 5 мкВ (тип.), И он используется для измерительных устройств.

Операционный усилитель и шунтирующий резистор на универсальной плате. Поскольку он экспериментально установлен на универсальной плате, его просто паять, но в реальной схеме проектирования соответствующий рисунок выполняется на основе таблицы данных сопротивления шунта.

Поскольку ток измеряется шунтирующим резистором, давайте рассмотрим, как определять токи с помощью простой схемы, подключенной к универсальной плате.

Измерьте напряжение осциллографом и наблюдайте за движением тока

Подключите нагрузку к завершенной цепи обнаружения тока и наблюдайте за измеренной формой волны. Подключите щеточный двигатель постоянного тока к нагрузке. Если ток можно легко обнаружить, должна быть возможность измерить форму волны тока, при которой катушка двигателя переключается, а также состояние изменения при приложении нагрузки к вращению.

Шунтирующий резистор включен последовательно с двигателем и источником питания. Мотор работает от 5В.

Ток холостого хода двигателя составляет 0,32 А. Эффективное значение сигнала на выходе операционного усилителя составляет 202 мВ, что определяется как 0,3 А. Полоса пропускания осциллографа и пробника составляет 50 МГц.

Когда вы вращаете двигатель, вы можете видеть, что ток изменяется в соответствии с переключением коммутатора. Когда нагрузка увеличивается до остановки вращения, изменение значения тока, обнаруживаемого шунтирующим резистором, также изменяется как сигнал напряжения.

Если вы подключите выход обнаружения тока операционного усилителя к плате микроконтроллера, такой как Arduino, вы сможете определять ток двигателя в реальном времени, что позволяет обнаруживать отклонения, такие как блокировка двигателя и короткое замыкание слоя катушки.
При обнаружении тока можно добавить различные функции, такие как защита корпуса двигателя / цепи привода от перегрузки двигателя, а также обнаружение блокировки двигателя.

Повышение точности и детектирования тока за счет изменения сопротивления шунта

Когда вы фактически используете схему обнаружения тока в качестве защиты цепи, выберите продукт с низким сопротивлением и большим током, который не превышает максимальную мощность шунтирующего резистора.
Мы используем чип-резистор общего назначения, а что касается высокопроизводительных шунтирующих резисторов, также доступны высокомощные типы, которые могут работать с высокой мощностью до 5 Вт, и высокоточные шунтирующие резисторы со сверхнизким сопротивлением 0,1 мОм. Вы можете выбрать один из множества шунтирующих резисторов в соответствии с вашими потребностями.

Ссылка: Чип-резистор для определения тока (шунтирующий резистор) | ROHM
https://www.rohm.co.jp/products/resistors/current-detection-resistors/information

Сводка

Этот метод определения тока с помощью шунтирующего резистора и операционного усилителя широко используется, поскольку он недорогой, высокоточный и простой в использовании.Однако, если добавляется резистор и это отрицательно влияет на схему, он также имеет явный недостаток: его нельзя использовать для высоких нагрузок, когда потери мощности шунтирующего резистора велики.
В принципе, потери можно уменьшить, уменьшив значение сопротивления шунтирующего резистора, поскольку падение напряжения на шунтирующем резисторе также уменьшается и становится труднее обнаруживать незначительные напряжения, поэтому существует компромисс между маленьким шунтом резистор и точность обнаружения.
В частности, обнаружение тока, которое используется для управления бесщеточными двигателями и преобразователями постоянного тока постоянного тока и обнаружения оставшегося заряда батареи, требует как больших токов, так и высокой точности обнаружения.Следовательно, требуется не только низкое сопротивление шунта, но и высокоточный операционный усилитель.
При фактическом обнаружении токов с помощью шунтирующего резистора учитывайте максимальный ток и приложение нагрузки, которую вы хотите обнаружить. Это означает, что вам нужно принять максимальный ток и спрогнозировать, с какой точностью и потерями можно мириться. По сути, вам нужно подумать о стоимости, когда вы приступите к проектированию схем и выбору компонентов.

При использовании обнаружения тока для защиты следует помнить, что, поскольку сама цепь обнаружения тока обнаруживает только ток, необходимо добавить функции для защиты и управления.Например, необходимо добавить реле или выключатель нагрузки, чтобы его можно было отключить, при этом вам также нужно будет выбрать программу или схему для его работы и при каких условиях будут выполняться защитные операции.
Если установлена ​​цепь обнаружения тока, схема и управление усложняются, и порог немного поднимается, но это незаменимая схема для повышения безопасности и увеличения количества электронных комплектов.

Как измерить ток с помощью датчиков тока

Автор: Грант Малой Смит, эксперт по сбору данных

В этой статье мы обсудим, как измеряется электрический ток, применительно к приложениям сбора данных (DAQ) сегодня, с достаточной детализацией, чтобы вы:

• См. , какие датчики и преобразователи тока доступны сегодня
• Изучите основы точного измерения силы тока
• Понимать , как различные датчики применяются в приложениях для измерения тока

Готовы начать? Пойдем!

Введение

Как и напряжение, ток может быть переменным (AC) или постоянным (DC).Электрический ток — это сила или скорость протекания электрического заряда. Подобно измерению напряжения, нам иногда нужно измерять очень малые токи, то есть в диапазоне микроампер, в то время как в других случаях нам может потребоваться измерить очень большие токи в тысячи ампер.

Для реализации этого широкого диапазона возможностей Dewesoft предлагает ряд преобразователей и датчиков тока, которые имеют выходное напряжение или ток, совместимый с одним из преобразователей сигнала напряжения , доступных для нашего оборудования для тестирования сбора данных.

Системы сбора данных Dewesoft могут измерять электрические свойства всех основных типов, включая напряжение, ток и т. Д. Эта комбинация датчика и формирователя сигнала плавно преобразует широкий диапазон токов в выходной сигнал низкого уровня, который может быть оцифрован для отображения, хранения и анализа.

Но какой датчик выбрать? Цель этой статьи — описать различные типы доступных датчиков тока, их плюсы и минусы, а также с какими приложениями каждый тип справляется лучше всего.

Что такое электрический ток?

Как упоминалось выше, ток — это сила или скорость протекания электрического заряда. В системах постоянного тока ток течет в одном направлении, иначе говоря, «однонаправленно». Общие источники постоянного тока включают батареи и солнечные элементы.

Переменный и постоянный ток

В системах переменного тока ток меняет направление на заданную частоту. В наших офисах и дома у нас есть сеть переменного тока с частотой 50 или 60 Гц (в зависимости от вашей страны).Этот переменный ток обычно является синусоидальным (например, в форме синусоидальной волны).

Наиболее типичным источником переменного тока является ваша местная электростанция. Ток, создаваемый фотоэлектрическими элементами, является постоянным и должен быть преобразован в переменный, чтобы обеспечить питание наших домов. То же самое и с ИБП, или с системой резервного питания от компьютерных батарей — энергия накапливается в батарее и должна быть преобразована в переменный ток, чтобы обеспечивать электроэнергией дом.

Переменный ток также используется несинусоидальным образом для модуляции информации в цепи, например, в радиосигналах и передаче звука.

Типичный звуковой сигнал

В Международной системе единиц (СИ) для обозначения силы тока используется ампер, который обычно сокращается до слова «амперы» и обозначается символом A.

Current также часто пишется с буквой I. Это восходит к французской фразе tensité de courant («сила тока» на английском языке). И A, и I являются допустимыми сокращениями для тока.

Переменный ток и постоянный ток часто обозначают аббревиатурой AAC и ADC соответственно.

Один ампер равен одному кулону электрического заряда, проходящего мимо данного места за одну секунду (один кулон содержит примерно 6,242 × 1018 электронов).

Ток всегда создает магнитное поле. Чем сильнее ток, тем сильнее поле. Измеряя это поле с помощью различных методов: эффекта Холла, индукции или магнитного потока, мы можем измерить поток электронов (ток) в электрической цепи.

Как мы можем измерить ток?

Поскольку ток всегда создает магнитное поле, существуют датчики на эффекте Холла и другие датчики, которые позволяют нам измерять это поле и тем самым измерять ток.

Также можно подключить шунтирующий резистор внутри самой схемы и напрямую измерять ток, как в классическом амперметре и токовом шунте. Мы рассмотрим оба метода в следующих разделах.

Датчики тока с разомкнутым контуром и замкнутым контуром

Возможно, вы слышали о датчиках тока разомкнутого и замкнутого контура. Какие отличия?

Датчики тока с разомкнутым контуром дешевле, чем датчики с замкнутым контуром, такие как датчики тока с нулевым потоком.Они состоят из датчика Холла, установленного в зазоре магнитопровода. Выходной сигнал датчика Холла усиливается и измеряет поле, создаваемое током, без какого-либо контакта с ним. Это обеспечивает гальваническую развязку между цепью и датчиком.

Датчик тока без обратной связи

Некоторые датчики тока без обратной связи имеют компенсационную электронику, которая помогает компенсировать дрейф, вызванный изменениями температуры окружающей среды. По сравнению с датчиками с обратной связью, датчики с обратной связью меньше и дешевле.Они имеют низкие требования к мощности и могут использоваться для измерения как переменного, так и постоянного тока. В то же время они не так точны, как их собратья с замкнутым контуром: они подвержены насыщению и обеспечивают низкую температурную компенсацию и помехозащищенность.

Датчики тока с обратной связью используют схему управления с обратной связью для обеспечения выхода, пропорционального входу. По сравнению с датчиками без обратной связи, эта конструкция с обратной связью с обратной связью по своей сути обеспечивает повышенную точность и линейность, а также лучшую компенсацию температурного дрейфа и устойчивость к шумам.

Датчик тока с обратной связью

Для датчиков с разомкнутым контуром дрейф, вызванный температурой, или любые нелинейности в датчике вызовут ошибку. С другой стороны, датчики с обратной связью используют катушку, которая активно приводится в действие за счет создания магнитного поля, которое противодействует полю проводника тока. Это «замкнутый контур», который обеспечивает повышенную точность и характеристики насыщения.

Так что лучше? Это полностью зависит от приложения. Более низкие требования к стоимости, размеру и мощности делают датчики тока без обратной связи очень популярными.Это отчасти компенсируется тем фактом, что их чувствительность к насыщению означает, что они должны быть «завышены» в некоторых приложениях, чтобы избежать этой проблемы.

с замкнутым контуром являются явным фаворитом в приложениях, требующих максимальной точности и устойчивости к насыщению, или которые используются в средах с большими экстремальными температурами или электрическими шумами.

Датчики тока без обратной связи используются в таких приложениях, как:

• Цепи с батарейным питанием (в связи с низким энергопотреблением)
• Приводные системы, в которых точность крутящего момента не должна быть высокой
• Измерение тока вентилятора и насоса
• Сварочные аппараты
• Системы управления батареями
• Регулируемые приводы
• Применение источников бесперебойного питания

Датчики тока с обратной связью используются в таких приложениях, как:

• Приводы с регулируемой скоростью (когда точность и линейность имеют первостепенное значение)
• Сервоуправление
• Максимальная токовая защита
• Детекторы замыкания на землю
• Промышленные приводы переменного и постоянного тока
• Управление роботом
• Приложения для измерения энергии

Как и в случае с любым другим датчиком, желаемый конечный результат должен быть определяющим фактором при выборе типа датчика.

Приложения для измерения тока

Как фундаментальный компонент электричества, ток и точное измерение необходимы в бесчисленных приложениях. Вы можете представить себе энергетическую компанию, не знающую, сколько ампер она вырабатывает? Или что они не будут знать, сколько энергии потребляют их клиенты?

Конечно, это было бы абсурдно. Но есть миллионы других целей и требований к текущим измерениям. Фактически, эти требования можно разделить на разомкнутый контур или замкнутый контур .

Обратите внимание, что это не следует путать с датчиками разомкнутого или замкнутого контура , как описано в предыдущем разделе. Здесь мы говорим о самом текущем измерительном приложении как о разомкнутом или замкнутом контуре.

В приложении для измерения тока с обратной связью нам нужно знать ток, потому что нам нужно управлять им в реальном времени . Приложения включают:

• Компоненты, в которых ток должен быть ограничен до определенного уровня, e.g., импульсные источники питания и зарядные устройства, и это лишь некоторые из них.
• Функции автоматического отключения критических систем в зависимости от потребляемого тока.
• Электромагнитные клапаны с регулируемым током, используемые в автомобилях, самолетах и ​​т. Д.
• Усилитель мощности смещает регулировку тока.
• И многое другое.

В приложениях для измерения тока с разомкнутым контуром нет необходимости в управлении в реальном времени, но нам нужно знать текущее значение для различных целей, в том числе:

• Исследования и разработки электродвигателей в автомобилях, поездах, потребительских товарах и т. Д.
• Потребление энергии для получения дохода.
• Проверка работоспособности приводов, используемых в самолетах, ракетах и ​​т. Д.
• Измерение подачи и потребления тока в электропоездах, а также в третьем рельсе и системах контактной сети, от которых они питаются.
• Приложения качества электроэнергии как для производителей, так и для потребителей энергии.
• Буквально миллионы приложений в исследованиях, производстве, автомобилестроении, аэрокосмической промышленности, военном деле, здравоохранении, образовании, промышленной автоматизации и т. Д.

Типы основных датчиков тока

Таким образом, для этих различных методов доступны различные датчики тока и преобразователи тока, каждый из которых адаптирован к среде измерения, а также к диапазону тока, который должен быть измерен. Например, требования к измерению микроампер (мкА) сильно отличаются от требований, предъявляемых к измерению тысяч ампер. Мы рассмотрим каждый тип датчика и опишем принцип его действия, а также его применение.

1) Шунты могут быть изолированы через внутренний или внешний формирователь сигнала, но они не изолированы по своей природе

Как упоминалось ранее, существует два основных метода измерения тока:

• При прямом контакте с током (шунт / амперметр)
• Путем измерения электромагнитного поля или потока тока

Наиболее распространенный способ измерения тока — это подключение амперметра (измеритель для измерения тока) или шунтирующего резистора последовательно со схемой.Амперметр или шунт амперметра на самом деле не более чем высокоточный резистор. Когда мы помещаем в цепь прецизионный резистор, на ней происходит падение напряжения. Выходной сигнал шунтирующего датчика измеряется системой сбора данных, которая применяет закон Ома для определения силы тока, протекающей по цепи.

Обратите внимание, что максимальный диапазон тока, который может измерять данный амперметр, ограничен номиналом его резистора. Поэтому обычной практикой является добавление дополнительного шунтирующего резистора параллельно для увеличения максимального диапазона измерения нашего испытательного оборудования.

Это ограничение является причиной того, что прямое соединение с электрическими проводниками цепи более широко используется в приложениях с низким током, но редко в приложениях с высоким током, где гораздо более распространены косвенные измерительные датчики, такие как токовые клещи и гибкие катушки.

Измерение тока шунта

При подключении низкоомного резистора параллельно цепи ток протекает через шунтирующий резистор -R- и вызывает падение напряжения.

Типовое подключение для измерения шунта в простой схеме

Мы можем измерить это падение и применить закон Ома для расчета тока.

Графическое представление закона Ома