Precyzyjny bipolarny czujnik prądu
advertisement
Forum Czytelników Precyzyjny bipolarny czujnik prądu Układ umożliwia pomiar wartości prą− du w sytuacji, gdy pomiędzy obwo− dem, z którego jest zasilany układ po− miarowy, a obwodem, w którym jest dokonywany pomiar prądu, występuje napięcie o znacznej wartości. Sytua− cja taka zdarza się w bardzo wielu za− stosowaniach, jako przykład może chociażby służyć zasilacz laboratoryj− ny. Obwody pomiarowe są często zasi− lane pojedynczym napięciem +5V, na− tomiast pobór prądu przez zewnętrzne układy jest mierzony w obwodach, w których może występować kilka− dziesiąt woltów, przy czym w obwo− dach tych może występować zarówno dodatnie, jak i ujemne napięcie wzglę− dem masy układu pomiarowego. Pre− zentowany układ umożliwia dokona− nie precyzyjnego pomiaru w takich sy− tuacjach, a dzięki dużej wartości tłu− mienia sygnału wspólnego, układ ten jest odporny na zakłócenia. Umożli− wia to niezawodny pomiar również w przypadku znaczngo oddalenia od miejsca pomiaru. Szerokie pasmo pra− cy układu daje możliwość pomiaru prądu zmiennego dostarczanego do obciążenia (np. głośnika). Innym zastosowaniem prezentowa− nego układu może być precyzyjna son− da umożliwiająca obserwację prądu pobieranego przez obciążenie. Zasto− sowanie odpowidniego rezystora pozwala na dostosowanie układu do wymagań i potrzeb danej aplikacji. Przyrząd ten charakteryzuje się nie− wielkimi wymiarami, szerokim zakre− sem napięć zasilających oraz niskim poborem mocy. Te, jak i pozostałe pa− rametry, umożliwiają bezproblemowe wbudowanie do istniejących, jak rów− nież nowo budowanych urządzeń. Opis układu W prezentowanym układzie do pomaru warto− ści prądu pobieranego przez obciążenie wyko− rzystana została jedna z najpopularniejszych metod, a mianowicie kontrola spadku napięcia 58 na rezystorze włączonym szeregowo ze źródłem zasilania. Rozwiązanie to jest powszechnie wykorzystywane dzięki niewielkiej komplika− cji układu współpracującego. Jak wiadomo, na rezystorze − czujniku prądu, zgodnie z prawem Ohma, występuje spadek napię− cia równy U=I∆ R. Ponieważ wartość R jest stała, niezależnie od przyłożonego napięcia, tak więc spadek napięcia na tym rezystorze jest wprost proporcjonalny do przepływają− cego przezeń prądu. W przypadku, gdy mię− dzy układem dokonującym pomiaru a rezy− storem − czujnikiem prądu występuje nie− wielkie napięcie lub gdy układ pomiarowy „pływa” na potencjale obciążenia, pomiar ten jest sprawą trywialną. Prawdziwy pro− blem pojawia się wtedy, gdy musimy zmie− rzyć spadek napięcia w obwodzie, w którym występuje napięcie o wartości znacznie wykraczającej poza napięcie zasila− nia obwodu pomiarowego. W tym przypadku z pomocą przychodzi wykorzystanie wzmac− niacza różnicowego o dużej dopuszczalnej wartości napięcia wspólnego. Wzmacniacz ta− ki można wykonać z wykorzystaniem wzmac− niacza operacyjnego. W tym przypadku zacho− dzi jednak konieczność precyzyjnego dobrania czterech rezystorów. Dokładność ich dopaso− wania jest szczególnie istotna w sytuacji, gdy napięcie w obwodzie, w którym mierzymy wartość prądu, może się zmieniać w szerokich granicach (np. w zasilaczu laboratoryjnym, gdzie zakres napięcia wyjściowego często osiąga lub przekracza 30V). W takim przypad− ku, przy niedokładnym dopasowaniu wartości rezystorów, zmiana napięcia wyjściowego układu będzie powodowała również zmianę wartości wskazywanego prądu. W przedsta− wionym na rysunku 1 układzie problem dopa− sowania rezystorów rozwiązano poprzez za− stosowanie precyzyjnego wzmacniacza różni− cowego typu AD629 firmy Analog Devices, który jest zdolny do pracy przy napięciu wspólnym (tzn. pojawiającym się jednocześnie na obu jego wejściach), osiągającym ±270V. Układ ten jest również w stanie przetrwać przepięcia napięcia różnicowego, jak i wspól− nego o wartości ±500V. Zakres napięć zasila− nia tego układu wynosi od ±2,5V do ±18V. Na Wrzesień 2002 rysunku 2 przedstawiono dopuszczalny za− kres napięcia wspólnego w funkcji napięcia zasilania. Rys.1 Schemat ideowy Rys.2 Dopuszczalne wspólne napięcie wejściowe (CMRR) w funkcji na− pięcia zasilania. Zastosowanie we wzmacniaczu wewnętrz− nych rezystorów pozwoliło na osiągnięcie du− żego współczynnika tłumienia sygnału wspól− nego (CMRR − Common Mode Rejection Ratio) osiągającego, zależnie od wersji, 77 lub 86 dB (są to wartości minimalne). Na rysunku 3 przedstawiona jest zależ− ność (typowa) tego współczynnika od często− tliwości. Jako rezystor pełniący funkcję czuj− nika prądu zastosowany został element prze− znaczony specjalnie do precyzyjnych pomia− rów prądu, wyposażony w wyprowadzenia w konfiguracji Kelvina. Rezystor ten posiada cztery wyprowadzenia, przez dwa z nich przepływa prąd, wartość którego chcemy Elektronika dla Wszystkich Forum Czytelników zmierzyć, natomiast pozostałe dwa służą do pomiaru spadku napięcia na tym rezystorze. Wyprowadzenia te są wewnętrznie dołączone w taki sposób, aby weliminować spadek na− pięcia na rezystancji wyprowadzeń, przez które przepływa prąd o dużej wartości. Jum− per SJ1 umożliwia pracę układu zarówno przy pojedynczym, jak również bipolarnym napięciu zasilania. Przy pracy z bipolarnym napięciem zasiania, powinien zostać on zwarty do masy (zamiast tego można wypro− wadzenia ref dołączyć do masy w punkcie dołączenia do miernika), natomiast przy po− jedynczym napięciu zasilania powinien po− zostać rozwarty, a do wyprowadzeń ref nale− ży dostarczyć napięcie o dobranej wartości. Przy pracy z pojedynczym napięciem za− silania należy również dołączyć wyprowa− dzenie −Vs do masy oraz nie montować kon− densatorów C3, C4. Pozostałe elementy to kondensatory odsprzęgające zasilanie. wać rezystor R1 tak, aby zapewnić dobre warunki odprowadzania ciepła, oraz odsunąć go w miarę możliwości od pozostałych ele− mentów, zwłaszcza kondensatorów elektroli− tycznych. Teraz należy wlutować układ IC1. Po dokładnym sprawdzeniu poprawności montażu można do układu dołączyć zasila− nie, natomiast do wyjścia, pomiędzy koń− cówki ref i output, woltomierz lub oscylo− skop. Układ ten nie wymaga uruchamiania ani regulacji. Montaż i uruchomienie Rys.3 Współczynnik tłumienia sygna− łu wspólnego w funkcji często− tliwości. Elektronika dla Wszystkich Prezentowany układ można zmontować na płytce uniwersalnej. Montaż należy rozpo− cząć od zwarcia kroplą cyny jumpera SJ1, wlutowując następnie dwa kondensatory SMD, umieszczone pod układem IC1, na− stępnie wlutować kondensatory elektroli− tyczne (zalecałbym tantalowe, mające znacznie lepsze parametry), ewentualną pod− stawkę pod IC1 (lepiej układ ten wlutować bezpośrednio w płytkę, jeżeli jednak ko− niecznie ktoś chce zastosować podstawkę, to powinna to być podstawka precyzyjna, po− nieważ układ przetwarza sygnały o niewiel− kiej amplitudzie). Następnie należy wluto− Wrzesień 2002 Piotr Czarkowski Wykaz elementów Rezystory R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,05 Ω/1W/4PIN R2,R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k Ω SMD Kondensatory C1,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/16V C2,C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF Półprzewodniki IC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .AD629AN 59
