Pomiar prądu w dodatniej szynie zasilającej

Rys. 1. Podstawowy układ pomiaru prądu

Pomiar prądu w dodatniej szynie zasilającej można realizować wieloma metodami, ale nie ma jednej uniwersalnej i pasującej w każdym przypadku. Układ ISL28006 (rys. 2) jest przykładem takiej aplikacji pomiarowej pracującej z napięciem wejściowym do 28 V, o stałym wzmocnieniu i minimalnym offsecie temperaturowym w całym zakresie niezmieniającym napięcia na wyjściu więcej niż o 450 µV.

Gdy wymagana jest większa precyzja pomiaru lub praca z napięciem wejściowym większym od 28 V, można wykorzystać wysokonapięciowy wzmacniacz operacyjny. Ale tym razem konieczne jest użycie precyzyjnych rezystorów w pętli sprzężenia zwrotnego, co nie jest ani tanie, ani proste dla konstruktora.

Rys. 2. Rozwiązanie z wykorzystaniem układu specjalizowanego

Gdy na rezystorze pomiarowym włączonym w dodatnią szynę zasilającą odkłada się napięcie 10 mV i wyjściowe napięcie wzmacniacza ma zawierać się między 0-5 V, to koniecznie jest ustalenie wzmocnienia na poziomie 50. Z wykorzystaniem rezystorów 1-procentowych błąd przetwarzania dla niskich prądów może sięgać aż 37%.

Dodatkowo taki prosty układ wymaga użycia wzmacniacza operacyjnego typu rail-to-rail, a więc zdolnego do pracy z napięciami wejściowymi zbliżonymi do napięcia zasilania. Takich wzmacniaczy nie brakuje w ofertach, ale jeśli dodatkowo mają one mieć mały offset, oferta staje się już znacznie mniejsza. Dla napięcia zasilającego 5 V offset ten wynosi dla dobrych układów pojedyncze mikrowolty, ale przy zasilaniu 30-40 V typowe wartości offsetu wynoszą od 10 µV do 100 µV, czyli już sporo.

Modyfikacja układu podstawowego

Rys. 3. Podstawowy układ pomiarowy na wzmacniaczu operacyjnym

Na rysunku 4 pokazano zmodyfikowany układ podstawowy pozwalający korzystać z dobrych i tanich wzmacniaczy operacyjnych jak ISL28133 pracujących z napięciem zasilającym 5-12 V w układach pomiarowych o wyższym napięciu. W tym celu zostały dodane elementy ograniczające napięcie zasilania wzmacniacza do bezpiecznego poziomu, które jednocześnie nie powodują zwiększonego poboru prądu przez całość układu pomiarowego. Dodatkowo w takim rozwiązaniu pasmo całego układu jest większe niż pasmo przenoszenia samego wzmacniacza, dzięki czemu można mierzyć zmiany prądu do kilkudziesięciu kiloherców i na wyjściu mieć napięcie wiernie odzwierciedlające kształt prądu, gdy przebieg jest silnie odkształcony.

Rys. 4. Układ pomiarowy zmodyfikowany

Warto zauważyć, że zgodnie z zasadą działania, spadek napięcia na rezystorze bocznikowym R6 jest równy napięciu na rezystorze R9. Ten sam prąd płynie przez tranzystor Q3 i R7 aż do masy, wywołując proporcjonalny do prądu spadek napięcia na R7, który może być dalej przetwarzany przez przetwornik ADC.

Całkowity błąd pomiarowy wynika z tolerancji rezystancji R7, R9 i napięcia offsetu wzmacniacza. Gdy użyje się rezystorów 0,1%, to dla offsetu 8 µV układu ISL28133 udaje się uzyskać błąd pomiaru ok. 0,3% (0,1% z każdego rezystora i 8 µV/10 mV = 0,08% od wzmacniacza). To znacznie lepiej niż może zapewnić układ z rysunku 3. Układ zasilania z wykorzystaniem R8 i diody Zenera musi zapewnić prąd ok. 1 mA dla polaryzacji diody i 25 µA dla zasilania wzmacniacza. Oznacza to, że straty mocy z tego tytułu przy zasilaniu 48 V wynoszą ok. 50 mW.

Rys. 5. Dalsza modyfikacja układu z rysunku 4

Układ z rysunku 4, mimo że pracuje dość efektywnie, ma niestety wady. Najważniejsza to ta, że w momencie zwarcia wyjścia prąd nie jest mierzony, bo cały układ pomiarowy przestaje być poprawnie zasilany. Niestety ogranicza to trochę możliwości kontroli prądów rozruchowych lub kontroli układów zabezpieczeń. Ponadto w układach z indukcyjnościami, np. zasilaczach impulsowych, pomiaru trzeba dokonywać w odpowiednim miejscu, aby napięcie na wejściu nie było większe od zasilania.

Od takich ograniczeń wolny jest układ przedstawiony na rysunku 5. Wykorzystuje on metodę DCR, gdzie układ jest zasilany "od góry" napięciem 5 V i zamiast tranzystora MOSFET zwykły element npn na wyjściu w roli wtórnika. Aby napięcie wyjściowe było odniesione do masy, do wtórnika dołączono źródło prądowe z wykorzystaniem pary tranzystorów Q3a-b i R1 oraz R2. Takie rozwiązanie nie ma opisanych wyżej wad, ale niestety błąd pomiarowy jest 2× większy na skutek tolerancji obwodu źródła prądowego. Warto zauważyć, że w tym układzie nie ma stabilizatora z diodą Zenera, co znacznie ograniczyło moc pobieraną przez układ pomiarowy.

SE Spezial-Electronic Polska
www.spezial.pl