Sposoby pomiaru prądu pobieranego z zasilaczy

W celu osiągnięcia wysokiej niezawodności przy dopuszczalnych kosztach można stosować w zasilaczach równoległe podzespoły. Znajomość stanu zasilacza wymaga informacji o wielkości prądów, napięć i wydzielanej mocy w najważniejszych jego podzespołach.

Istnieje szereg prostych układów do odczytu natężenia prądu pobieranego z zasilaczy, a także prądów zasilających peryferyjne obciążenia, których znajomość jest niezbędna w procedurach monitorowania.

Zwykle mikroprocesor powinien otrzymywać informacje o poborze mocy zasilania przez wbudowane systemy. Powinien wiedzieć w przybliżeniu, jak pobór ten zmienia się, gdy:

• urządzenia systemu są włączane i wyłączane,
• poszczególne części systemu zmieniają tryb działania,
• różne urządzenia peryferyjne, jak silniki, reagują na zmiany w obciążeniu czy otoczeniu.

Dokładność tych pomiarów nie jest wysoka, zwykle wynosi około ±5%. W niektórych aplikacjach mają znaczenie wymagania wzmacniaczy operacyjnych o wejściach i wyjściach rail to rail. Zasięg dopuszczalnych napięć zasilania tych wzmacniaczy bywa ograniczony, zwykle do około 16 V lub mniej. Dlatego w układach mierzących prądy obciążenia stosuje się tranzystory bipolarne i popularne wzmacniacze operacyjne, jak LM358, LM324, TL06x, RC4558, MC1458 i podobne.

Poniżej przedstawiono kilka prostych i tanich rozwiązań najczęściej stosowanych zasilaczy napięć dodatnich. Użyte w nich czujniki mają zwykle postać przetworników prądu na napięcie, dostarczających napięciowych sygnałów Vc, proporcjonalnych do obciążającego zasilacz natężenia prądu. Wyjściowe napięcie Vc może być bipolarne lub monopolarne, z wykorzystaniem dodatkowych obwodów, z przesunięciem dostosowującym do poprawnego sterowania wzmacniaczy operacyjnych.

Pomiar prądu w zasilaczach napięcia dodatniego

Rys. 1. Najprostszy układ czujnika prądu obciążającego zasilacz napięcia dodatniego "od dodatniej strony", z tranzystorem PNP o zerowym początkowym prądzie kolektora

Rysunek 1 przedstawia najprostszy nieizolowany układ górnego (high side) czujnika prądowego dla zasilacza napięcia dodatniego. Zastosowano w nim wzmacniacz z tranzystorem PNP bez początkowego prądu kolektora. Kondensator C5 służy za ochronę przed oscylacjami. Wyłącznikiem SW1, ręcznym lub przekaźnikowym można wybrać zakres monitorowanego natężenia prądu.

Różnica napięć (V_IN-V_OUT) jest przez tranzystor T1 wzmacniana, a otrzymany sygnał jest odbierany z rezystora R4. Sygnał ten może być przekazywany do ADC (przetwornika analogowo- cyfrowego). Do zalet układu należy zaliczyć to, że:

• nadaje się zarówno do zasilaczy niskiego, jak i wysokiego napięcia i działa w bardzo szerokim zakresie prądów (przy odpowiednio dobranych wartościach komponentów),
• jest bardzo prosty i tani,
• obwód rezystora R4 może kończyć się zarówno na masie, jak i na potencjale dodatnim lub ujemnym, zależnie od potrzeby,
• jest poprawnie zaprojektowany, wytrzymały i odporny,
• nie zawsze wymaga kalibracji, ponieważ często wystarcza sygnalizacja względnych jedynie zmian natężenia prądu.

Rys. 2. Najprostszy układ czujnika prądu obciążającego zasilacz napięcia dodatniego "od dodatniej strony", z tranzystorem PNP o początkowym prądzie kolektora

Wady układu to:

• stosunkowo duży spadek napięcia na rezystorach R1 i R2, wynoszący, zależnie od tranzystora T1, ok. 0,5-1 V,
• sygnał wyjściowy zależy od temperatury i własności tranzystora T1,
• zależność sygnału od temperatury wynosi -2,2 mV/°C,
• zależność napięcia Vc od natężenia prądu nie jest liniowa,
• powtarzalność układu jest niewielka, układ wymaga rekalibracji po wymianie tranzystora,
• uzyskanie wyższej dokładności wymaga wykonania krzywej kalibracyjnej.

Rys. 3. Prosty układ czujnika prądu obciążającego zasilacz napięcia dodatniego "od dodatniej strony", ze zwykłym wzmacniaczem operacyjnym

Większe wymagania, zwłaszcza co do liniowości i zmniejszonej zależności od tranzystora, spełnia układ ulepszony, pokazany na rysunku 2. Prąd kolektora wzmacniacza z tranzystorem PNP jest stabilizowany przez rezystor R2 i ustalany za pomocą potencjometru P1. Wzmocnienie tranzystora jest wyznaczone w przybliżeniu stosunkiem R3/R2. Dioda Zenera D1 służy do ograniczania sygnału wyjściowego V_C. Sygnał ten jest proporcjonalny do prądu przepływającego przez R1.

Większą dokładność przetwarzania prądu detektora na napięcie uzyskuje się przez użycie w miejsce tranzystora zwykłego wzmacniacza operacyjnego, na przykład LM358 lub LM324. Potencjał jego wejścia i wyjścia może być bliski masy, a od napięcia zasilającego musi być niższy o co najmniej 1,5 V. Na rysunku 3 przedstawiono najprostszy układ zasilacza napięcia dodatniego z górnym (high side) czujnikiem prądowym z zastosowaniem zwykłego wzmacniacza operacyjnego.

Rys. 4. Prosty układ czujnika prądu obciążającego zasilacz napięcia dodatniego "od dodatniej strony", ze zwykłym wzmacniaczem operacyjnym, zasilanym z dodatkowego generacyjnego przetwornika DC/DC

Powstający na rezystorze R1 spadek napięcia, proporcjonalny do natężenia prądu obciążenia 1 A, wynosi 0,1 V przy rezystorze 0,1 Ω. Dzielniki R2/R3 i R4/R5 obniżają napięcia wejściowe wzmacniacza OP1 do optymalnego poziomu, równego połowie napięcia zasilania. Dzielnik sprzężenia zwrotnego R8/R6 wyznacza dziesięciokrotne wzmocnienie wzmacniacza. Kondensatory C5 i C6 tworzą (opcjonalny) filtr dolnoprzepustowy.

Może się zdarzyć, gdy kondensatory wejściowe C1 i C2 zostaną rozładowane wcześniej niż wyjściowe C3 i C4, że polaryzacja napięcia na rezystorze R1 zostanie odwrócona. Zapobiec temu może użycie dodatkowego przetwornika DC/DC, służącego do zasilania wzmacniacza. Układ taki jest pokazany na rysunku 4.

Zawiera on generacyjny przetwornik, utworzony z sześciu przerzutników Schmitta układu 74C14 i trzech diod Schottky'ego 1N5818 lub 1N5819. Dostarcza on zasilającego OP1 napięcia V2, około dwukrotnie większego od +V_IN, nieprzekraczającego 15 V. Podstawowe elementy tego układu są takie same jak układu pokazanego na rysunku 3.

Rys. 5. Prosty układ czujnika prądu obciążającego zasilacz napięcia dodatniego "od dodatniej strony" ze zwykłym wzmacniaczem operacyjnym (IC1.1), zasilanym z dodatkowego generacyjnego przetwornika DC/DC, złożonego ze wzmacniacza operacyjnego (IC1.2) i stopnia przeciwsobnego (T1 i T2)

Bardziej rozbudowany układ o podobnym przeznaczeniu jest przedstawiony na rysunku 5. Generatorem jest wzmacniacz IC1.1 z przeciwsobnym stopniem wyjściowym z tranzystorów T1 i T2. Zasila on wzmacniacz IC2.1 napięciem +V1 lub opcjonalnie napięciem diody Zenera VZ i umożliwia ewentualne korzystanie z obu tych napięć do innych celów w systemie. Wzmacniacze IC1.1 i IC1.2 wchodzą w skład układu scalonego LM358.

Trzeba tu dodać, że wykorzystywane w opisanych układach wzmacniacze operacyjne warto zabezpieczyć niepokazanymi dla uproszczenia odpowiednimi elementami, jak rezystory, kondensatory i diody, chroniącymi je przed przypadkowymi uszkodzeniami.

Przytoczone układy detekcyjne mogą wymagać w praktyce uzupełnienia przez dodatkowe obwody buforujące lub wzmacniające, gdy sygnały są przesyłane dłuższymi liniami lub odbierane przez obwody o niskiej impedancji. Rysunek 6 przedstawia trzy przykłady takich buforów. Rysunek 6a jest powtórzeniem schematu z rysunku 1, uzupełnionym o wyjściowy wtórnik emiterowy T2.

Rys. 6. Przykłady prostych układów buforujących: a) układ z rys. 1 z tranzystorowym wtórnikiem emiterowym, b) buforowy wzmacniacz tranzystorowy NPN, c) chroniony diodami wtórnik buforowy ze wzmacniaczem operacyjnym

Rysunek 6b proponuje użycie w układzie z rysunku 1 tranzystora T2 w roli wzmacniacza, którego wzmocnienie wyznaczają rezystory R5 i R6, a C6 zapobiega oscylacjom. Rysunek 6c przedstawia zastosowanie wzmacniacza operacyjnego w układzie buforującego wtórnika. Rezystor i diody, a niekiedy dzielnik napięcia, w obwodzie wejściowym chronią wzmacniacz operacyjny.

Pomiar prądu w zasilaczach napięcia ujemnego

W niektórych systemach z włączanymi i wyłączanymi blokami peryferyjnymi stosuje się zasilanie bipolarne lub napięciem ujemnym. Czujniki prądu stosuje się zatem także w obwodach zasilaczy napięcia ujemnego, zasilaczy od strony ziemi, dużych równoległych kondensatorów elektrolitycznych oraz diod lub mostków prostowniczych, także równoległych. Takie rozwiązania są przydatne, choć rzadziej stosowane. Mikrokontrolery powinny otrzymywać informacje o:

• natężeniu prądu pobieranego z zasilaczy napięcia ujemnego,
• włączeniu napięcia zasilania,
• przepływie prądu w obwodach uziemiających,
• jednakowości prądów w równoległych kondensatorach elektrolitycznych o dużej pojemności.

Powinny być informowane o zmianach natężenia pobieranego prądu gdy:

• któreś z urządzeń peryferyjnych systemu jest włączane lub wyłączane,
• tryb działania poszczególnych części systemu jest zmieniany,
• któreś z urządzeń peryferyjnych systemu, np. silnik, reaguje na zmiany obciążenia lub środowiska,
• zmienia się stan i pojemność kondensatorów elektrolitycznych o dużej pojemności.

Rys. 7. Najprostsze układy czujnika prądu obciążającego zasilacz napięcia ujemnego "od ujemnej strony": a) z tranzystorem NPN o zerowym początkowym prądzie kolektora, b) z tranzystorem NPN o początkowym prądzie kolektora

Wymagana dokładność takich pomiarów zwykle nie jest wysoka i wystarcza ±5% a nawet więcej. W układach tych można używać tanich półprzewodników, jak tranzystory PN2222A i PN2907A czy wzmacniacze operacyjne RC4558, NE5532 lub MC1458.

Układy takie to przetworniki prądu na napięcie, dostarczające sygnału napięciowego V_C, proporcjonalnego do natężenia płynącego w zasilaczu prądu stałego lub przemiennego. Rysunek 7 przedstawia dwa najprostsze rozwiązania czujnika prądu zasilacza napięcia ujemnego, rysunek 7a jest analogiczny do rysunku 1a, rysunek 7b jest analogiczny do rysunku 2. Opisy układów na rysunku 7a i rysunku 7b są, z uwzględnieniem odwrotnej polaryzacji, analogiczne do opisów rysunku 1 i rysunku 2.

Pomiar prądów obciążenia w zasilaczach napięcia symetrycznego

Rys. 8. Układ czujnika prądu powrotnego w uziemieniu zasilacza napięcia bipolarnego z tranzystorami PNP i NPN

W zasilaczach o wyjściu symetrycznym występuje często potrzeba monitorowania kierunku przepływu prądu we wspólnej linii uziemiającej, gdy natężenia prądów zasilaczy napięcia dodatniego i ujemnego powinny zostać utrzymane w wymaganych proporcjach. Pokazany na rysunku 8 zasilacz bipolarny powstał z połączenia układu z rysunku 2 z układem z rysunku 7b, uzupełnionych o stabilizatory.

Rezystory R1 i R4 służą do konwersji prądu uziemiającego zasilacza na napięciowe sygnały V_CSI1 i V_CSI2, które po wzmocnieniu odwzorowują natężenie prądu linii uziemiającej. Różnią się one tym, że V_CSI1 uwzględnia prądy dodatniego i ujemnego stabilizatora, a V_CSI2 je pomija. Sygnały te są wzmacniane przez tranzystory T1 i T2, o wzmocnieniu wyznaczanym odpowiednio przez rezystory R3 i R2 oraz R7 i R6.

Sygnały te są w razie potrzeby ograniczane odpowiednio przez opcjonalne diody Zenera D5 i D6 oraz opcjonalne rezystory R9 i R10, tworzące z rezystorami R2 i R7 dzielniki napięcia. Układ wysyła dwa sygnały wyjściowe, dodatni V_C1 i ujemny V_C2.

Rys. 9. Układ czujnika prądu powrotnego w uziemieniu zasilacza napięcia bipolarnego z zasilanym bipolarnie różnicowym wzmacniaczem operacyjnym i bipolarnym wyjściem sygnału

Dokładniejszy układ do pomiaru prądu uziemiania zasilacza bipolarnego przedstawiono na rysunku 9. Mierzony spadek napięcia może być brany z rezystora R2 (V_CSI2, nie uwzględnia prądów stabilizatorów) lub R1 (V_CSI1, z ich uwzględnieniem). Sygnał ten jest wzmacniany we wzmacniaczu operacyjnym IC1 o wzmocnieniu wyznaczonym rezystorami R3, R4, R5 i R6. Użyć w nim można zwykłych wzmacniaczy, jak LM741, TL061, TL071, lub połówek układów podwójnych RC4558, MC1458 czy innych. Sygnał wyjściowy V_C jest bipolarny.

Pomiar prądów ładowania i rozładowania kondensatorów połączonych równolegle

Obecnie korzysta się często z równolegle połączonych kondensatorów elektrolitycznych o dużej pojemności, na przykład 10-22 mF, a nawet większych, tworzących wielkie pojemności o małej szeregowej rezystancji i małej indukcyjności. Niekiedy jakość tych kondensatorów pogarsza się z czasem, co zwykle wychodzi na jaw zbyt późno. Warto więc monitorować prądy ich ładowania i rozładowania, których natężenie sygnalizuje ich stan.

Rys. 10. Układ czujnika prądów ładowania i rozładowania równoległych kondensatorów w zasilaczu symetrycznym z dwoma różnicowymi wzmacniaczami operacyjnymi, zasilanymi z dodatkowego bipolarnego zasilacza

Zadanie to można wykonać za pomocą przykładowego układu, pokazanego na rysunku 10. W zasilaczu symetrycznym, w szereg z każdym z elektrolitycznych kondensatorów o wielkiej pojemności od strony wspólnego zera włączono rezystory 0,1 lub 0,05 Ω, pełniące rolę czujników prądu, a równocześnie rezystancji wyrównawczych. Takie kondensatory o pojemności 10-20 mF, C1, C3 i C5 znajdują się w obwodzie prostownika napięcia dodatniego, a C2, C4 i C6 w obwodzie prostownika napięcia ujemnego.

Spadek napięcia z każdego z rezystorów jest wzmacniany przez wzmacniacze o wzmocnieniu 10. Na schemacie pokazano tylko dwa z tych wzmacniaczy, związanych z kondensatorami C5 i C6. VREF1 i VREF2 są zewnętrznymi napięciami wzorcowymi, pozwalającymi wykalibrować sygnały wyjściowe V_C1 i V_C2.

Wejście wzmacniacza IC1.1 jest chronione przez R7, C11, D1 i D2, a wejście wzmacniacza IC1.2 przez R8, C12, D3 i D4. Diody D1, D2, D3 i D4 są niskonapięciowymi (2,4 do 3,3 V) diodami Zenera. Zamiast nich można zastosować zwykłe diody w sposób pokazany w ramce na dodatkowym schemacie poniżej schematu głównego.

Spadki napięć na rezystorach R1 do R6 są wywoływane udarowymi prądami ładowania i rozładowania monitorowanych kondensatorów C1 do C6. Przy rezystancji 0,1 Ω i prądach ±10 A napięcia te wynoszą ±1 V, a po wzmocnieniu sygnały V_C1 i V_C2 ±10 V.

Pomiar prądów dostarczanych do zasilacza przez połączone równolegle prostowniki zwykłe lub mostkowe

Rys. 11. Układ czujnika prądów diod prostownika dwupołówkowego

Kondensator prostownika może być ładowany przez więcej niż jedną diodę. Czasem istnieje potrzeba oddzielnego monitorowania prądu tych diod prostowniczych. Na rysunku 11 przedstawiono układ do indywidualnego monitorowania prądów w dwóch diodach, ładujących wspólny kondensator prostownika dwupołówkowego. Sygnały monitorujące powstają na rezystorach R1 i R2 i są następnie wzmacniane przez dwa wzmacniacze operacyjne OP1 i OP2, zasilane z oddzielnego zasilacza bipolarnego.

Niekiedy używa się prostowników, w formie jednakowych pojedynczych diod lub mostków, połączonych równolegle. Takie rozwiązanie ma następujące zalety:

• prostowniki mogą być mniejsze i tańsze,
• natężenia prostowanych przez nie prądów są mniejsze, zatem emitują one mniejsze zaburzenia elektromagnetyczne, których filtracja jest łatwiejsza,
• zasilacz jest bardziej niezawodny. W razie gdy jeden z prostowników zawiedzie, zadanie na pewien czas przejmuje drugi, a system nie przerywa działania,
• chłodzenie diod lub mostków jest łatwiejsze.

Rys. 12. Schemat blokowy układu czujnika prądów diod prostownika dwupołówkowego i prądów ładowania i rozładowania równoległych kondensatorów filtrujących tego prostownika

Ale równoległe łączenie diod lub mostków prostowniczych ma także wady:

• wymaga stosowania rezystorów równoważących,
• w razie konieczności monitorowania działania poszczególnych prostowników, staje się konieczne użycie specjalnego interfejsu, odbierającego sygnały z rezystorów równoważących i przesyłającego je do układu rejestrującego,
• płytka drukowana staje się bardziej skomplikowana,
• prostowniki zajmują na niej więcej miejsca,
• spadek napięcia na rezystorach równoważących jest dla działania prostowników niekorzystny.

W razie potrzeby w prostowniku można użyć równolegle połączonych kondensatorów o mniejszej pojemności. Kondensatory te mają wyższe napięcie pracy i mniejsze prądy upływu, a ich dostawa jest łatwiejsza, a ceny niższe. Ale równoległe kondensatory filtrujące prostownika wymagają użycia rezystorów równoważących, które wyrównują ich ładunki i prądy upływu.

Pomiar prądów w równoległych prostownikach i w równoległych kondensatorach pomaga te prądy zrównoważyć i zapewnić kontrolę pracy zasilacza. Schemat przykładowego zasilacza z równoległymi prostownikami i równoległymi kondensatorami jest przedstawiony na rysunku 12. Wzmacniacze różnicowe DA1, DA2 DA3 i DA4 otrzymują sygnały z rezystorów wyrównawczych R_C1, R_C2, R_C3 i R_C4, a wzmocnione wysyłają do przetwornika A/C. System ten umożliwia monitorowanie stanu wszystkich elementów prostownika.

Rys. 13. Schemat wzmacniaczy różnicowych DA1–DA4 z rysunku 12. Są to wzmacniacze różnicowe sygnałów z rezystorów włączonych w szereg z diodami prostowniczymi

Na rysunku 13 pokazano schemat jednego z czterech jednakowych wzmacniaczy DA1-DA4, monitorujących prądy prostowników, z rysunku 11. W jego skład wchodzą:

• wejściowe opcjonalne dzielniki napięcia R1/R3 i R2/R4,
• kondensatory C1, C2, C3 i C4, tworzące z rezystorami R5 i R6 filtr dolnoprzepustowy,
• wzmacniacz różnicowy OP1 z ochroną diodową D1-D8,
• diody Zenera D9 i D10, ograniczające wzmocniony sygnał wyjściowy.

Wzmocnienie wzmacniaczy operacyjnych, które mogą być pojedyncze, podwójne lub poczwórne w chipie, jest kształtowane przez rezystory R5, R6, R7 i R8.

Analogiczne wzmacniacze A1 i A2, monitorujące prądy kondensatorów, z rysunku 12 są przedstawione przykładowo na rysunku 14. Rezystor R3 może zostać pominięty, jeżeli redukcja sygnału wejściowego nie jest wymagana. Wzmocnienie wzmacniacza wyznaczają rezystory R4 i R5.

Rys. 14. Schemat wzmacniaczy różnicowych A1 i A2 z rysunku 12. Są to wzmacniacze różnicowe sygnałów z rezystorów włączonych w szereg z kondensatorami filtrującymi

Rysunek 15 przedstawia wariant układu z rysunku 12 do monitorowania prądów w zdublowanych prostownikach mostkowych zasilacza i w zdublowanych kondensatorach.

Rezystorami wyrównawczymi równoległych mostków prostowniczych są R_D1 i R_D2. Wzmacniacze różnicowe DA1 i DA2 otrzymują sygnały z tych rezystorów, które po wzmocnieniu są wysyłane do przetworników A/C. Analogicznie, rezystory R_C1 i R_C2 są rezystorami wyrównawczymi równoległych kondensatorów filtrujących. Sygnały z tych rezystorów są wzmacniane przez wzmacniacze A1 i A2 i wysyłane do przetworników A/C. Schematy wzmacniaczy DA1 i DA2 są takie same jak na rysunku 13, a wzmacniaczy A1 i A2 takie same jak na rysunku 14.

Rys. 15. Schemat blokowy układu czujnika prądów równoległych mostków prostowniczych i prądów ładowania i rozładowania równoległych kondensatorów filtrujących tego prostownika

Wzmacniacze operacyjne w opisanych układach muszą przenosić stosunkowo niskie częstotliwości, 50 lub 60 Hz wraz z ich powstającymi w prostownikach niezbyt wysokimi harmonicznymi, do kilku zaledwie kHz. Zakres ten w przypadku zasilaczy impulsowych jest oczywiście szerszy, ale nawet w większości takich przypadków opisane układy nadają się z niewielkimi modyfikacjami do zastosowania. Wybór tych wzmacniaczy zależy przede wszystkim od zakresu napięciowego zasilaczy:

• dla zasilaczy niesymetrycznych LM358, LM324 i podobne,
• dla zasilaczy symetrycznych nadają się głównie R_C4558, MC1458, TL061, TL062 i podobne.

Zazwyczaj wyrównywanie przesunięcia zera nie jest w tych układach potrzebne. (KKP)