Микросхемы для измерения тока. Измерение напряжения. Виды и принцип измерений. Особенности
- Tutorial
Введение
Всем привет! После завершения цикла по датчикам были вопросы различного плана по измерению параметров потребления бытовых и не очень электроприборов. Кто сколько потребляет, как что подключать чтобы измерить, какие бывают тонкости и так далее. Пришло время раскрыть все карты в этой области.В этом цикле статей мы рассмотрим тему измерения параметров электроэнергии. Этих параметров на самом деле очень даже большое количество, о которых я постараюсь постепенно рассказать небольшими сериями.
Пока в планах три серии:
- Измерение электроэнергии.
- Качество электроэнергии.
- Устройства измерения параметров электроэнергии.
По итогам всего цикла мы изготовим некий умный электросчетчик с выходом в интернет. Совсем отъявленные любители контролировать электроприборы своего умного дома могут оказать посильную помощь в реализации коммуникационной части на базе, например MajorDomo. Сделаем OpenSource умный дом лучше, так сказать.
В этой серии в двух частях мы разберем следующие вопросы:
- Подключение датчиков тока и напряжения в устройствах постоянного тока, а также однофазных и трехфазных цепей переменного тока;
- Измерение действующих значений тока и напряжения;
- Измерение коэффициента мощности;
- Полная, активная и реактивная мощность;
- Потребление электроэнергии;
1. Подключение датчиков
В прошлом цикле про датчики напряжения и тока я рассказал о видах датчиков, но не рассказал о том как ими пользоваться и куда их ставить. Пришло время это исправить
Подключение датчиков постоянного тока
Понятно что весь цикл будет посвящён системам переменного тока, но быстро пробежимся и по цепям постоянного тока, так как это может нам пригодиться при разработке источников питания постоянного тока. Возьмем к примеру классический понижающий преобразователь с ШИМ :
Рис 1. Понижающий преобразователь с ШИМ
Нашей задачей является обеспечение стабилизированного выходного напряжения. Кроме того, на основании информации с датчика тока возможно контролировать режим работы дросселя L1, не допуская его насыщения, а также реализовывать токовую защиту преобразователя. И честно говоря, вариантов установки датчиков особо и нет.
Датчик напряжения в виде резистивного делителя R1-R2, который единственный способен работать на постоянном токе, устанавливается на выходе преобразователя. Как правило специализированная микросхема преобразователя имеет вход обратной связи, и прилагает все усилия для того, чтобы на этом входе (3) оказался определённый уровень напряжения, прописанный в документации на микросхему. Например 1,25В. Если наше выходное напряжение с этим уровнем совпадает - все хорошо - мы напрямую подаем выходное напряжение на этот вход. Если нет, то устанавливаем делитель. Если нам надо обеспечить выходное напряжение в 5В, то делитель должен обеспечивать коэффициент деления 4, т. е. Например R1 = 30к, R2 = 10к.
Датчик тока обычно устанавливается между источником питания и преобразователем и на микросхему. По разности потенциалов между точками 1 и 2, и при известном сопротивлении резисторы Rs возможно определить текущее значение тока нашего дросселя. Устанавливать датчик тока между источников и нагрузкой не самая хорошая идея, так как конденсатор фильтра будет отрезан резистором от потребителей импульсных токов. Установка резистора в разрыв общего провода тоже нге сулит ничего хорошего - будет два земляных уровня с которыми возиться то еще удовольствие.
Проблемы падения напряжения можно избежать путем использования бесконтактных датчиков тока - например датчиков холла:
Рис 2. Бесконтактный датчик тока
Однако есть более хитрый способ измерения тока. Ведь на транзисторе точно также падает напряжение и через него течет тот же самый ток что и индуктивность. Следовательно, по падению напряжения на нем можно также определить текущее значение тока. Честно говоря, если посмотреть на внутреннюю структуру микросхем преобразователей, например, от Texas Instruments - то такой способ встречается так же часто как и предыдущие. Точность такого способа конечно не самая высокая, но для работы токовой отсечки этого вполне достаточно.
Рис 3. Транзистор в качестве датчика тока
Аналогично поступаем в других схемах подобных преобразователей, будь то повышающий или инвертирующий.
Однако необходимо отдельно упомянуть о трансформаторных прямоходовом и обратноходовом преобразователях.
Рис 4. Подключение датчиков тока в обратноходовых преобразователях
В них точно также может использоваться либо внешнее сопротивление, либо транзистор в его роли.
На этом с подключением датчиков в преобразователи постоянного тока мы закончили. Если у вас есть предложения по другим вариантам - с удовольствием дополню ими статью.
1.2 Подключение датчиков в однофазные цепи переменного тока
В цепях переменного тока у нас гораздо больший выбор возможных датчиков. Рассмотрим несколько вариантов.Самый простой - использование резистивного делителя напряжения и токового шунта.
Рис 5.Подключение резисторных датчиков
Однако, у нее усть пара существенных недостатков:
Во-первых, либо мы обеспечим значительную амплитуду сигнала с токового шунта, выделив большое количество мощности на нем, либо будем довольствоваться малой амплитудой сигнала и впоследствии усиливать его. А во-вторых, резистор создает разность потенциалов между нейтралью сети и нейтралью прибора. Если прибор изолирован - то это не имеет значения, если же у прибора есть вывод заземления, то мы рискуем остаться без сигнала с датчика тока, так как закоротим его. Пожалуй стоит попробовать датчики, работающие на других принципах.
Например, воспользуемся трансформаторами тока и напряжения, либо датчиком тока на эффекте холла и трансформатором напряжения. Здесь гораздо больше возможностей по работе с оборудованием, так как нулевой провод не имеет потерь, а главное - в обоих случаях присутствует гальваническая развязка измерительного оборудования, что часто может пригодиться. Однако, необходимо учитывать, что трансформаторные датчики тока и напряжения имеют ограниченную частотную характеристику и если мы захотим измерить гармонический состав искажений, то у нас это не факт что выйдет.
Рис 6.Подключение трансформаторных и бесконтактных датчиков тока и напряжения
1.3 Подключение датчиков в многофазные цепи сетей переменного тока
В многофазных сетях наши возможности по подключению датчиков тока немного меньше. Связано это с тем, что токовый шунт использовать совсем не получится, так как разность потенциалов между шунтами фаз будет колебаться в пределах сотен вольт и мне не известен ни один контроллер общего применения, аналоговые входы которого способны выдержать такое издевательство.Один способ использовать токовые шунты конечно есть - для каждого канала необходимо сделать гальванически развязанный аналоговый вход. Но гораздо проще и надежнее использовать другие датчики.
В своем анализаторе качества я использую резистивные делители напряжения и выносные датчики тока на эффекте холла.
Рис 7.Датчики тока в трехфазной сети
Как видно из рисунка, мы используем четырехпроводное подключение. Разумеется вместо датчиков тока на эффекте холла можно взять трансформаторы тока или петли Роговского.
Вместо резистивных делителей можно использовать трансформаторы напряжения, причем как для четырехпроводной так и для трехпроводной системы.
В последнем случае первичные обмотки трансформаторов напряжения подключаются треугольником, а вторичные звездой, общая точка которых является общей точкой измерительной цепи
Рис 8.Использование трансформаторов напряжения в трехфазной сети
2 Действующее значение тока и напряжения
Пришло время решить задачу измерения наших сигналов. Практическую значимость для нас представляет в первую очередь действующее значение тока и напряжения.
Напомню матчасть из цикла по датчикам. С помощью АЦП нашего микроконтроллера через равные промежутки времени мы будем фиксировать мгновенное значение напряжения. Таким образом, за период измерения у нас будет массив данных уровня мгновенного значения напряжения (для тока все аналогично).
Рис 9. Серия мгновенных значений напряжения
Наша задача - произвести подсчет действующего значения. Для начала воспользуемся формулой интеграла:
(1)В цифровой системе приходится ограничиваться неким квантом времени, так что мы переходим к сумме:
(2)Где - период дискретизации нашего сигнала, а - число отсчетов за период измерения. Где-то здесь я в видео начинаю втирать дичь про равенство площадей. Надо было выспаться в тот день. =)
В микроконтроллерах MSP430FE4252, которые применяются в однофазных электросчетчиках Меркурий, за период измерения равный 1, 2 или 4 секунд производится 4096 отсчетов. На T=1с и N=4096 мы и будем опираться в дальшейнем. Более того, 4096 точек в секунду позволят нам использовать алгоритмы быстрого преобразования фурье для определения гармонического спектра вплоть до 40 гармоники, как того требует ГОСТ. Но об этом в следующей серии.
Набросаем алгоритм для нашей программы. Нам требуется обеспечить стабильный запуск АЦП каждую 1/8192 секунды, так как у нас два канал и измерять мы будем эти данные попеременно. Для этого настроим таймер и сигнал прерывания будет автоматически перезапускать АЦП. Все АЦП так умеют.
Писать будущую программу будем на arduino, так как она у многих под рукой. У нас пока чисто академический интерес.
Имея частоту системного кварца 16МГц и 8-разрядный таймер (чтобы жизнь медом не казалась) нам необходимо обеспечить частоту срабатывания хоть какого прерывания таймера с частотой 8192Гц.
Печалимся по поводу того что 16МГц цело не делится как нам надо и итоговая частота работы таймера 8198Гц. Закрываем глаза на погрешность в 0,04% и все равно считываем по 4096 выборок на канал.
Печалимся по поводу того, что прерывание по переполнению в arduino занято расчетом времени (отвечает за millis и delay, так что это работать нормально перестанет), так что пользуемся прерыванием по сравнению.
А еще внезапно понимаем, что сигнал к нам приходит биполярный, и что msp430fe4252 с ним прекрасно справляется. Мы же довольствуемся униполярным АЦП, поэтому на операционном усилителе собираем простой преобразователь биполярного сигнала в униполярный:
Рис 10.Преобразователь биполярного сигнала в униполярный
Причем наша задача обеспечить колебание нашей синусоиды относительно половины опорного напряжения - тогда мы либо отнимем половину диапазона либо активируем опцию в настройках АЦП и получим знаковые значения.
В Arduino 10-разрядный АЦП, поэтому из беззнакового результата в пределах 0-1023 будем вычитать половину и получим -512- 511.
Проверяем модель, собранную в LTSpiceIV и убеждаемся, что все работает как надо. В видеоматериале дополнительно убеждаемся экспериментально.
Рис 11.результат моделирования. Зеленым исходный сигнал, синим - выходной
Скетч для Arduino для одного канала
void setup() { autoadcsetup(); DDRD |=(1<
Программа написана в среде Arduino IDE для микроконтроллера ATmega1280. На моей отладочной плате первые 8 каналов разведены для внутренних нужд платы поэтому используется канал ADC8. Возможно использовать данный скетч и для платы с ATmega168, однако необходимо выбрать правильный канал.
Внутри прерываний передергиваем пару служебных пинов чтобы наглядно видеть рабочую частоту оцифровки.
Пару слов о том, откуда взялся коэффициент 102. При первом запуске с генератора подавался сигнал различной амплитуды, с осциллографа считывалось показание действующего значения напряжения, а из консоли забиралось рассчитанное значение в абсолютных единицах АЦП.
| Umax, В | Urms, В | Counted |
| 3 | 2,08 | 212 |
| 2,5 | 1,73 | 176 |
| 2 | 1,38 | 141 |
| 1,5 | 1,03 | 106 |
| 1 | 0,684 | 71 |
| 0,5 | 0,358 | 36 |
| 0,25 | 0,179 | 19 |
Разделив значения третьего столбца на значения второго получаем в среднем 102. Это и будет наш «калибровочный» коэффициент. Однако можно заметить, что при снижении напряжения точность резко падает. Это происходит из-за низкой чувствительности нашего АЦП. Фактически 10 разрядов для точных расчётов катастрофически мало и если напряжение в розетке измерить таким образом вполне получится, то поставить 10-разрядный АЦП на измерение потребляемого нагрузкой тока будет преступлением против метрологии.
На данном моменте мы прервемся. В следующей части рассмотрим другие три вопроса данной серии и будем плавно переходить к созданию непосредственно самого устройства.
Представленную прошивку, а также другие прошивки для данной серии (так как видеоматериалы я снимаю быстрее чем подготавливаю статьи) вы найдете в репозитории на GitHub.
Измерение силы тока (сокращено - измерение тока) полезное умение, которое не раз пригодится в жизни. Знать величину силы тока надо, когда следует определить потребляемую мощность. Для измерения тока применяется прибор под названием Амперметр.
Есть ток переменный и ток постоянный , следовательно, для их измерения применяются различные измерительные приборы. Ток всегда обозначается буквой I, а его сила измеряется в Амперах и обозначается буквой А. Например, I=2 А показывает, что сила тока в проверяемой цепи равняется 2 Амперам.
Рассмотрим подробно, как маркируются различные измерительные приборы для измерения разных видов токов.
- На измерительном приборе для измерения постоянного тока перед буквой А наносится символ "-".
- На измерительном приборе для измерения переменного тока, в том же месте наносится символ "~".
- ~А прибор для измерения переменного тока.
- -А прибор для измерения постоянного тока.
Вот фотография амперметра, предназначенного для измерения постоянного тока .
Соответственно закону, сила тока протекающего в замкнутой цепи, в любой его точке равна одной и той же величине. В итоге, чтобы измерить ток, надо разъединить цепь на любом участке удобным для подсоединения измерительного прибора.
Следует помнить, что величина напряжения присутствующего в электрической цепи , не оказывает никакого влияния на измерение тока . Источником тока может быть, как и бытовая электросеть на 220 В, так и батарейка на 1,5 В и т.д.
Собираясь измерять силу тока в цепи обратите тщательное внимание, какой ток протекает в цепи, постоянный или переменный. Возьмите соответствующий измерительный прибор и если не знаете предполагаемую силу тока в цепи, поставьте переключатель измерения силы тока в максимальное положение.
Рассмотрим подробно как измерить силу тока электроприбором.
Для безопасности измерения потребляемого тока электроприборами сделаем самодельный удлинитель с двумя розетками. После сборки получим удлинитель очень похожий на стандартный магазинный удлинитель.
Но если разобрать и сравнить между собой, самодельный и магазинный удлинитель, то во внутренней структуре четко увидим отличия. Выводы внутри розеток самодельного удлинителя соединены последовательно, а в магазином соединены параллельно.
На фотографии прекрасно видно, что верхние выводы соединены между собой проводом желтого цвета, а на нижние клеммы розеток подается сетевое напряжение.
Теперь приступаем к измерению тока, для этого вставляем в одну из розеток вилку электроприбора, а в другую розетку, щупы амперметры. Перед измерением тока , не забываем прочитанную информацию про то, как надо правильно и безопасно измерять ток.
Теперь рассмотрим как правильно интерпретировать показания стрелочного амперметра. При измерении потребляемого тока прибора стрелка амперметра остановилась на делении 50, переключатель был установлен на максимальный предел измерения в 3 Ампера. Шкала моего амперметра имеет 100 делений. Значит, легко определить измеренную силу тока по формуле (3/100) Х 50=1,5 Ампера.
Формула расчета мощности прибора по потребляемой силе тока.
Обладая данными о размере силы тока потребляемым любым электроприбором (телевизор, холодильник, утюг, сварка и т.д.), можно с легкостью определить, какая у этого электроприбора потребляемая мощность. В мире существует физическая закономерность, которому всегда подчиняется электричество. Первооткрыватели этой закономерности Эмиль Ленц и Джеймс Джоуль и в честь них, она теперь называется Закон Джоуля - Ленца.
- I - сила тока, измеряемая в Амперах (А);
- U - напряжение, измеряемое в Вольтах (В);
- P - мощность, измеряемая в Ваттах (Вт).
Проведем один из расчетов тока.
Измерил ток потребления холодильника и он равняется 7 Амперам. Напряжение в сети равно 220 В. Следовательно, потребляемая мощность холодильника равняется 220 В Х 7 А=1540 Вт.
Что можно сделать на основе небольшого микроконтроллера Attiny13? Много чего. Например измеритель напряжения, тока, температуры, с выводом результатов на дисплей типа HD44780. Так давайте и соберём это универсальное устройство, которое можно успешно использовать в качестве модуля в блоках питания, зарядках, УМЗЧ и в тех местах, где не требуется очень высокая точность. Размер платы всего 35 х 16 мм.
Схема измерителя U, I, T на Attiny13
- Диапазон измерения напряжения 0-99V с разрешением 0.1 V.
- Диапазон измерения тока 0-9.99А с разрешением 10 мА.
- Диапазон измерения температуры 0-99C с разрешением 0.1C.
- Потребление тока самого измерителя 35 мА.
Прежде всего надо знать, в каком диапазоне напряжения прибор будет работать. Чтобы это установить, необходимо рассчитать делитель напряжения. Например, для получения измерения 10 В, делитель должен составлять 1/10 (мы умножаем x 10 потому что напряжение будет в 10 раз больше от базового 1 В), для 30 В будет 1/30 и так далее. Затем необходимо настроить программу, для данного диапазона. Эти 30 В умножаем по 640, а результат разделим на 1023. Полученное число приблизительно записывается в начале программы, постоянной напряжения и надо скомпилировать программу (для диапазона 100 В, 8,2к).
Измерение тока также мы можем настроить подобным образом, дать другой делитель, другой диапазон, и перечислить, но не буду этого описывать. Здесь нет аналоговой калибровки температуры, потому что она показалась совершенно лишней.
Корректируем экспериментально в программе, за это отвечает константа const temp. Резистор 1К между массой и выходом датчика устанавливает напряжение, снизить его можно даже до 100 Ом.
Как работает схема
К точкам V и V+ на плате приложено напряжение, которое мы хотим измерить, к точке GND присоединяемся входом массы блока питания, а к точке В - выход массы (измерение происходит на массе). Между точками GND и V - присоединяется шунт. Питание измерителя осуществляется от точки V и V+ через стабилизатор 7805. На плате есть место на стабилизатор в корпусе TO252, но с успехом можно использовать и более крупный стабилизатор 78L05 в корпусе TO92. Максимальное напряжение, которое можно указать для точки V и V+, для обычной 7805 будет до 35В, для 78L05 будет, конечно, меньше, но не больше 30. Для того, чтобы измерять большие напряжения, чип необходимо пополнить отдельно - на стороне печати, следует прервать путь под потенциометром регулировки напряжения, а питание подать до точки А. Система работает с дисплеем 16х1 с контроллером HD44780 или 16х2.
Видео работы измерителя
При прошивке микроконтроллера необходимо задать pin reset как обычный pin (включить fusebit RSTDISBL). Перед выполнением этой операции убедитесь, что все хорошо установили, что после выключения сбрасывается, и нет доступа к процессору обычным программатором! Исходники, а также вся остальная документация и файлы, размещены
Предлагаемое устройство предназначено для установки в различные регулируемые блоки питания. Оно отображает на своих светодиодных индикаторах выходное напряжение блока и ток его нагрузки. Когда появилась необходимость постоянно контролировать выходное напряжение и ток нагрузки лабораторного блока питания, сразу было решено выводить их значения на семиэлементные светодиодные индикаторы. Возможная альтернатива — символьные ЖКИ с двумя строками по 8 или 16 символов, но они дороги и плохо читаемы. Ещё одним требованием был одновременный вывод на индикаторы значений напряжения и тока без каких-либо переключений. По разным причинам готовые решения, найденные в литературе и Интернете, автора не устроили, и он решил сконструировать устройство самостоятельно.
Внешний вид предлагаемого измерителя показан на рис. 1. Он позволяет измерять напряжение от 0 до 99,9 В с дискретностью 0,1 В и ток от 0 до 9,99 А с дискретностью 0,01 А. Устройство собрано на плате размерами 57x62 мм и может быть встроено внутрь практически любого лабораторного блока питания или другого прибора, где требуется постоянный контроль напряжения и тока. Схема измерителя изображена на рис. 2. Он содержит ОУ , два интегральных стабилизатора напряжения , микроконтроллер (самый недорогой из имеющих десятиразрядный АЦП), два регистра и два семиэлементных светодиодных индикатора. Они могут быть четырёх- или трёхразрядными.
Измеренное значение напряжения выводится на индикатор HG1, а тока — на индикатор HG2. Одноименные выводы элементов индикаторов попарно объединены и подключены через ограничивающие ток резисторы R13—R20 к выходам регистра DD2. Общие выводы разрядов индикаторов подключены к регистру DD3. Регистры соединены последовательно и образуют 16-разряд-ный сдвиговый регистр, управляемый сигналами с трёх выходов микроконтроллера DD1: GP2 (тактовые импульсы), GP4 (загружаемый последовательный код), GP5 (импульс вывода загруженного кода на параллельные выходы регистров). Индикация — обычная динамическая, при которой разряды индикаторов включаются поочерёдно импульсами на выходах регистра DD3, формируемыми одновременно с появлением на выходах регистра DD2 кодов для отображения во включённом разряде нужной цифры.
Индикаторы HG1 и HG2 могут быть как с общими анодами, так и с общими катодами элементов каждого разряда, но обязательно оба одинаковые. В зависимости от этого должен быть выбран соответствующий вариант программы микроконтроллера — AV-meter_ common_anocle.HEX для общих анодов или AV-meter_common_cathode. HEX для общих катодов. Микроконтроллер управляет индикаторами по прерываниям от таймера TMR0, следующим с периодом 2 мс.
Входы GP0 и GP1 работают в режиме аналоговых входов АЦП микроконтроллера. GP0 используются для измерения напряжения, a GP1 — тока. В трёх старших разрядах индикаторов выводятся измеренные значения. В младшем разряде индикатора HG1 постоянно выведена буква U (признак измерения напряжения), а в том же разряде индикатора HG2 — буква А (признак измерения тока). В случае применения трёхразрядных индикаторов никаких изменений программы не требуется, но эти буквы отсутствуют.
Измеряемое напряжение поступает на микроконтроллер через делитель R2-R4, а пропорциональное измеряемому току напряжение - с выхода ОУ DA1.1. Резистор R12 вместе с внутренним защитным диодом микроконтроллера предохраняет его вход от возможной перегрузки (ОУ питается напряжением 7...15 В). Коэффициент усиления снимаемого с датчика тока (резистора R1) напряжения около 50 задан резисторами R6, R8, R11. Его точное значение устанавливают подстроечным резистором R8.
ФНЧ R7C3 сглаживает пульсации напряжения на неинвертирующем входе ОУ. Без этого фильтра показания прибора "прыгают". Аналогичную функцию выполняет конденсатор С2 в цепи измерения напряжения. Стабилитрон VD1 защищает вход ОУ от перенапряжения в случае обрыва резистора R1. В крайнем случае стабилитрон можно не устанавливать.
Особо следует остановиться на цепи R5R10. В отсутствие измеряемого тока она создаёт на входе ОУ начальное смещение около +0,25 мВ. Без этого наблюдалась существенная нелинейность при измерении тока менее 0,3 А. У разных экземпляров микросхем LM358N этот эффект проявляется в разной степени, но в любом случае погрешность при малых значениях измеряемого тока слишком высока. При установке R5 и R10 указанных на схеме номиналов (они могут быть пропорционально изменены при сохранении того же соотношения, например, 15 Ом и 300 кОм) погрешность измерения тока, обусловленная этим эффектом, не превышает единицы младшего разряда.
Со всеми имеющимися у меня экземплярами микросхемы LM358N, а они приобретались в течение последних десяти лет в разных местах, никакой подборки указанных резисторов не потребовалось. Но при необходимости следует определить минимальное сопротивление резистора R10, при котором на индикаторе HG1 в отсутствие измеряемого тока ещё светятся нули, а затем увеличить его в 1,5...2 раза. Я не рекомендую в целях упрощения конструкции исключать обычно отсутствующие в подобных устройствах элементы С2, С3, R4, R5, R10.
Хорошая точность и стабильность показаний обеспечена также полным отделением от микроконтроллера относительно мощных импульсных узлов управления индикаторами путём их питания от отдельного интегрального стабилизатора напряжения DA3. Помехи от работы процессора самого микроконтроллера мало влияют на результаты измерений, так как каждое из них выполняется с предварительным переводом микроконтроллера в спящий режим с выключенным тактовым генератором.
Микроконтроллер тактируется от внутреннего генератора. R9C5 — цепь установки микроконтроллера в исходное состояние. Для устранения последствий возможных сбоев микроконтроллера в нём включён сторожевой таймер (WDT).
На рис. 3 изображён чертёж проводников печатной платы устройства, а на рис. 4 — расположение деталей на ней. Большая часть резисторов и конденсаторов — типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Исключения — резисторы R2 (из-за рассеиваемой мощности), R13 (для упрощения разводки печатных проводников), подстроечные резисторы R3, R8, оксидные конденсаторы С1, С6, С8. Конденсаторы С2 и С3 — керамические, но их можно заменить оксидными танталовыми.
Измерение, контроль и регулирование тока - распространенные задачи в различных приложениях электроники. Предлагаемая вниманию читателей статья представляет собой обзор схемотехнических решений и компонентов, применяемых для этих целей.
Один из способов измерения тока в электрической цепи - это измерение падения напряжения на токоизмерительном резисторе (шунте) известного сопротивления, включенном последовательно с нагрузкой. Чтобы сопротивление шунта оказывало минимальное воздействие на режим работы нагрузки, оно выбирается минимально возможной величины, что предполагает последующее усиление сигнала.
В таблице 1 перечислены производители электронных компонентов, выпускающие как специализированные изделия, предназначенные для контроля тока, так и микросхемы усилителей, подходящих для этой цели.
Таблица 1. Фирмы-производители микросхем-мониторов тока
| Изготовитель |
| Analog Devices Inc. |
| Integration Associates Inc. |
| International Rectifier |
| Ixys Corp. |
| Linear Technology Corp. |
| Maxim Integrated Products |
| National Semiconductor |
| Semtech Corp. |
| Texas Instruments Inc. |
| Zetex Semiconductor |
Специализированные микросхемы для контроля (измерения) тока производителями названы Low-Side Current Sense Monitor (Amplifier) и High-Side Current Sense Monitor (Amplifier). Буквальный перевод этих терминов на русский язык дает такие же загадочные названия, как «южный мост» в материнской плате компьютера.
Фирма Maxim определяет High-side current sensing как измерение тока по падению напряжения на резисторе, включенном между источником питания и нагрузкой, а Low-side current sensing - как измерение тока по падению напряжения на резисторе, включенном между нагрузкой и общим проводом («землей»).
Воспользуемся для дальнейшего описания понятиями измерения тока в положительном и отрицательном полюсах нагрузки предполагая, что шина питания имеет положительный потенциал относительно общей шины, что справедливо для подавляющего большинства современных электронных схем. Следует отметить, что приведенные ниже схемы позволяют контролировать не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с соответствующими искажениями, определяемыми полосой пропускания усилительных элементов.
Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки
Преимущества:
- низкое входное синфазное напряжение;
- входной и выходной сигнал имеют общую «землю»;
- простота реализации с одним источником питания.
Недостатки:
- нагрузка не имеет непосредственной связи с «землей»;
- отсутствует возможность коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе;
- возможность выхода из строя измерительной схемы при коротком замыкании в нагрузке.
Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки не представляет сложности. Для этой цели подходит множество операционных усилителей, предназначенных для работы с однополярным питанием с входным синфазным напряжением, включающим потенциал общей шины, а также многие из инструментальных усилителей. По этой причине специализированные микросхемы Low-Side Sense Monitor (Amplifier) практически отсутствуют. Схемы измерения тока с применением операционного и инструментального усилителей приведены на рис. 1 и 2 соответственно. Выбор конкретного типа усилителя определяется требуемой точностью, на которую в основном влияет смещение нуля усилителя, его температурный дрейф и погрешность установки усиления, и необходимым быстродействием схемы. В начале шкалы неизбежна значительная погрешность преобразования, вызванная ненулевым значением минимального выходного напряжения усилителя, что для большинства практических применений несущественно. Для исключения этого недостатка требуется либо двухполярное питание усилителя, либо смещение уровня выходного сигнала подключением вывода REF инструментального усилителя к источнику опорного напряжения.
Рис. 1. Схема измерения тока в отрицательном полюсе с операционным усилителем
Рис. 2. Схема измерения тока в отрицательном полюсе с измерительным усилителем
Измерение тока в положительном полюсе нагрузки
Недостатки:
- высокое синфазное входное напряжение (зачастую очень высокое);
- необходимость смещения выходного сигнала до уровня, приемлемого для последующей обработки в системе (привязка к «земле»).
Рассмотрим схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки с использованием операционных усилителей.
В схеме на рис. 3 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания и точностным характеристикам операционный усилитель, предназначенный для работы с однополярным питанием и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим напряжения питания, например AD8603. Максимальное напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя.
Рис. 3. Схема измерения тока в положительном полюсе с операционным усилителем
Так называемые Over-The-Top Rail-To-Rail Input и Output Amplifier (LT1494, LT1636, LT1637, LT1672, LT1782, LT1783, LT1784 от Linear Technology) работоспособны при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 4, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В.
Рис. 4. Схема измерения тока в положительном полюсе с Over-The-Top операционным усилителем
Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с весьма малой погрешностью подходят такие инструментальные усилители, как LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments. На рис. 5 показана схема с применением LTC6800. Напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя (5,5 В).
Рис. 5. Схема измерения тока в положительном полюсе с инструментальным усилителем LTC6800
Дифференциальные усилители, подходящие для построения схем мониторов тока в положительном полюсе, перечислены в таблице 2. Некоторые из них имеют очень широкий диапазон входного синфазного напряжения, распространяющийся и в область отрицательных значений, что позволяет организовать при необходимости измерение тока и в нагрузке, подключенной к источнику питания отрицательной полярности. Рекордные показатели у LT1990, имеющего диапазон входного синфазного напряжения от –37 до 250 В при однополярном питании и ±250 В при двухполярном. Схема с его использованием изображена на рис. 6. Микросхемам AD629 и INA117 требуется двухполярное питание, при этом диапазон входного синфазного напряжения составляет ±270 В и ±200 В.
Рис. 6. Схема измерения тока в положительном полюсе с дифференциальным усилителем LT1990
Таблица 2. Дифференциальные усилители
Интеграция практически всех необходимых компонентов в один кристалл привела к созданию специализированных микросхем мониторов тока. Как правило, эти микросхемы не обеспечивают точности, достижимой с использованием прецизионных усилителей. Однако для подавляющего большинства применений, особенно если требуется только контроль тока, а не измерение его точного значения, заявляемой производителями точности вполне достаточно.
По выходному сигналу микросхемы можно разделить на три группы: с токовым выходом, потенциальным выходом и ШИМ-выходом.
Характеристики микросхем c токовым выходом приведены в таблице 3. На рис. 7 показана схема с применением INA139, в которой кроме токового шунта требуется единственный внешний компонент - резистор R OUT . В схеме на рис. 8 с применением LTC6101HV, кроме того, необходим резистор R IN , включаемый в цепь встроенного источника тока.
Рис. 7. Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом INA139
Рис. 8. Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом LTC6101HV
Таблица 3. Микросхемы мониторов тока с токовым выходом
Поскольку выходное сопротивление схем достигает нескольких десятков килоом, схемы последующей обработки сигнала должны иметь высокое входное сопротивление.
Особенность трехвыводных микросхем ZXCT1008 и ZXCT1009 от Zetex - протекание собственного тока потребления микросхемы через резистор R OUT , что, естественно, вносит дополнительную погрешность. Однако ввиду чрезвычайно малого собственного потребления эта погрешность незначительна, особенно в конце шкалы, и вполне приемлема. На рис. 9 показано применение ZXCT1009 в схеме зарядного устройства для Li-Ion аккумулятора.
Рис. 9. Схема управления зарядным устройством
В таблице 4 приведены характеристики микросхем-мониторов тока с потенциальным выходом. От мониторов тока с токовым выходом они отличаются тем, что содержат внутренний резистор R OUT , а часть из них имеет выходной усилитель, позволяющий уменьшить выходное сопротивление до единиц и даже долей ома. В качестве примера внутренней организации на рис. 10 показан монитор тока MAX4372.
Рис. 10. Монитор тока в положительном полюсе с потенциальным выходом MAX4372
Таблица 4. Микросхемы мониторов тока с потенциальным выходом
При необходимости контролировать ток, который изменяет направление в зависимости от режима работы схемы, например, ток, протекающий через реверсируемый электродвигатель, или ток заряда–разряда аккумуляторной батареи, используются два монитора тока. Схема для последнего случая приведена на рис. 11. Здесь каждый монитор контролирует ток своего направления. Альтернативное решение - использование сдвоенного монитора тока MAX4377 или двунаправленного (Bidirectional) монитора тока, схема применения которого изображена на рис. 12. Опорное напряжение устанавливает уровень, относительно которого изменяется выходное напряжение. Выходной сигнал схемы увеличивается с ростом тока положительного направления и, соответственно, уменьшается с ростом тока отрицательного направления. Аналогичный результат можно получить с использованием дифференциальных и инструментальных усилителей, подключив вывод REF к источнику опорного напряжения, как показано на рис. 6.
Рис. 11. Схема контроля тока заряда–разряда аккумулятора
Рис. 12. Схема двунаправленного монитора тока
Мониторы тока можно использовать и при напряжении источника питания, превышающем максимальное входное синфазное напряжение, как описано в документации . В последнем документе показано использование микросхемы MAX4172 с источником питания напряжением 100–250 В.
Микросхемы - мониторы тока с минимальным значением входного синфазного напряжения, равным нулю, можно использовать для контроля тока в отрицательном полюсе нагрузки, а INA193–INA198 - и для контроля тока в нагрузке, включенной в цепь источника отрицательного напряжения до –16 В.
Некоторые из мониторов тока обеспечивают дополнительные функции. Переключаемое усиление позволяет менять коэффициент передачи монитора «на лету», увеличивая точность измерения в начале шкалы. Наличие вывода отключения дает возможность экономить энергию, когда нет необходимости измерять ток. Встроенный источник опорного напряжения служит для задания либо выходного уровня двунаправленного монитора, либо порога срабатывания встроенных или внешних компараторов.
Микросхема MAX4210 позволяет одновременно контролировать как ток, так и потребляемую нагрузкой мощность, а MAX4211 содержит еще и два компаратора для организации пороговых устройств.
Монитор тока IA2410 может работать и как датчик температуры с переключением из режима монитора тока в режим контроля температуры подачей комбинации импульсов на вход SHDN.
Мониторы тока с ШИМ-выходом
Широтно-импульсная модуляция выходного сигнала имеет преимущества при сопряжении монитора тока с микропроцессором. Характеристики микросхем с ШИМ приведены в таблице 5, а пример применения монитора тока IR2175 для контроля тока фазы электродвигателя - на рис. 13.
Рис. 13. Схема контроля тока с IR2175
Таблица 5. Мониторы тока с ШИМ-выходом
Следует упомянуть и правила выбора токоизмерительных шунтов. Естественно, что чем меньше сопротивление шунта, тем большее влияние оказывает сопротивление подводящих проводов. Для точных измерений используются четырехвыводные резисторы.
Если особых требований к точности не предъявляется, шунт может быть выполнен в виде дорожки на печатной плате. При этом отклонение сопротивления от расчетного значения в серии изделий может достигать ±5%, кроме того, температурный коэффициент сопротивления меди достаточно велик. Последнее обстоятельство в некоторых случаях не является критичным. Например, микросхемы ZXCT1008–ZXCT1010 имеют отрицательный температурный дрейф коэффициента передачи в положительном диапазоне температур, что в некоторой степени компенсирует положительный температурный коэффициент сопротивления меди.
Измерение переменного тока
Linear Technology производит микросхемы прецизионных преобразователей среднеквадратичного значения переменного напряжения в постоянное - LTC1966 и LTC1967, характеристики которых приведены в таблице 6. Коэффициент передачи микросхем определяется формулой
На рис. 14 изображена схема включения LTC1966 для измерения переменного тока с использованием трансформатора тока.
Рис. 14. Схема измерения переменного тока с LTC1966
Таблица 6. Микросхемы для измерения переменного тока
Большое количество практических схем контроля и регулирования тока применения микросхем-мониторов тока приведено в документах .
Существуют и другие микросхемы датчиков тока, основанные на использовании эффекта Холла и «гигантского» магниторезистивного эффекта. Они применяются для бесконтактного измерения тока. Тем не менее, рассмотрение их характеристик и применения выходит за рамки данной статьи.
Литература
- AN-39. Current Measurement Applications Handbook. Zetex Semiconductor.
- AN-3331. High-Side Current-Sense Amplifier Operates at High Voltage. Maxim Integrated Products.
- AN-105. Current Sense Circuit Collection. Linear Technology.
- AN-746. High-Side Current-Sense Measurement: Circuits and Principles. Maxim Integrated Products.
