Измерване на ток чрез резистивни датчици

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2011

Прецизен контрол на консумацията в широк спектър от приложения


          Измерването на ток е основно изискване в практически всеки уред с електронно управление или електронно следене (мониторинг) на функционирането. Интелигентният мониторинг осигурява множество предимства, сред които могат да бъдат откроени следните:
- удължен експлоатационен срок на батериите в преносимите устройства;
- по-ефективна и по-безшумна работа на системи с електродвигатели;
- по-бързо откриване на грешки във функционирането, което повишава надеждността и сигурността на апаратурата.

Адекватното управление зависи от точността на измерването, като прецизното измерване на протичащите токове е от съществено значение. В статията са представени основните концепции за измерване на ток с използване на резистивни датчици и методите за измерване на ток, като са разгледани основните предимства и недостатъци на три типични схеми за измерване на ток с включване на датчика откъм страната с по-висок захранващ потенциал (high-side sensing).

Резисторите като датчици за ток
Токът почти винаги се измерва индиректно, като често се изчислява от напрежението (V = I x R) получено в краищата на резистор, през който тече неизвестният ток. Резистивните датчици на ток са с ниска цена, могат да осигурят висока точност на измерване на от много ниски до средно големи стойности на тока и са приложими за постояннотокови и променливотокови измервания. Техният недостатък е добавянето на допълнително съпротивление във веригата на измервания ток, което може да увеличи изходното съпротивление на захранващия източник и да доведе до нежелателен натоварващ ефект и до свързана с това загуба на мощност (P = I2 x R). Ето защо резистивните датчици за ток са използвани най-често за измерване на ниски до средни токове.

Изброените недостатъци могат да се минимизират с използване на резистивни датчици на ток с ниско съпротивление. В този случай обаче, падът на напрежение върху резистора, играещ ролята на датчик на ток, може да стане толкова малък, че да е сравним с входното напрежение на отместване (т. нар. напрежение на офсета) на последващата аналогова схема, която усилва и обработва получения сигнал. Това, разбира се, би влошило точността на измерването.

Ако измерваният ток има значителна високочестотна компонента, то паразитната индуктивност на резистора, датчик на ток, трябва да бъде ниска, в противен случай реактивното напрежение, получено в двата края на резистора ще понижи точността на измерването.

Други важни параметри на резистивните датчици за ток са толерансът на съпротивлението, температурният коефициент, термоелектрическият ефект (ефект на Зеебек) работният температурен диапазон, номиналната мощност – която трябва да бъде достатъчно висока, за да понесе кратковременни претоварвания и пикови преходни процеси.

Отчитане от страна на по-високия и на по-ниския потенциал
Има два основни метода за свързване на резистивния датчик на ток: откъм страната с по-висок захранващ потенциал (high-side sensing) и откъм страната с по-нисък захранващ потенциал (low-side sensing). Всеки от методите има своите предимства и недостатъци.


Както е показано на фигура 1, при метода на поставяне на датчика откъм страната на по-ниския потенциал, датчикът се свързва между товара и масата на захранването. Обикновено сигналът (VSEN = ISEN x RSEN), снет от резистора, датчик на ток, е толкова слаб, че трябва да се усили от последваща схема с операционен усилвател (например неинвертиращ усилвател), за да се получи изходно напрежение, което може да бъде измерено (VOUT).

Тази конфигурация осигурява ниско входно синфазно напрежение; входът и изходът са спрямо масата на захранването, проста е за реализация и е евтина. Конфигурацията, обаче, е чувствителна към смущения по масовия проводник, като проводникът на масата на захранвания товар (приложението) е с по-високо ниво от системната маса, тъй като резисторът-датчик RSEN увеличава нежелателно съпротивлението по проводника на масата. Съществен недостатък на схемата е фактът, че всеки много висок ток от товара, предизвикан от случайно късо съединение към “истинската” земя на захранването, няма да бъде открит; освен това, използваните компоненти трябва да са с ниско захранващо напрежение VDD.

В случаите на еднополярно захранване, най-важният аспект на измерването с резистивен датчик, включен от страната на по-ниския потенциал на захранването, е изискването обхватът на синфазните входни напрежения (VCM) на операционния усилвател да включва и масата. Схемата с резистивен датчик откъм ниския потенциал трябва да се предпочита тогава, когато не се изисква откриване на късо съединение на товара с общия проводник (масата) и когато могат да се толерират смущения по проводника на масата.

Както е показано на фигура 2, при схемата на измерване на ток с резистивен датчик, включен откъм страната на по-високия потенциал, датчикът се свързва между положителното захранване и товара. Това елиминира смущенията от проводника на масата, позволява захранваното приложение (товара) да се свърже директно към масата и позволява откриването на късо съединение с масата. Тук, обаче, схемата за измерване на тока трябва да работи с много високи и динамично променящи се синфазни сигнали, което води до усложняване и оскъпяване на конфигурацията, както и до необходимостта от използване на компоненти с високо напрежение VDD.

При конфигурациите с единично захранване, обхватът на синфазните напрежения VCM на диференциалния усилвател трябва да бъде достатъчно широк, за да издържа получените високи синфазни сигнали. Освен това, диференциалният усилвател трябва да подтисне динамичните синфазни сигнали.

Реализации с отчитане от страна на по-високия потенциал на захранването
Реализациите със снемане на сигнала от страна на по-високия захранващ потенциал са предпочитани в приложения, където не могат да се толерират смушения по общия проводник на масата и е необходимо откриване на къси съединения. Такива приложения са управлението и следенето работата на електродвигатели, откриването и защитата от претоварване по ток, автомобилните системи за сигурност, мониторингът на акумулаторни батерии и др.

На фигура 3 е показана първата от няколко конфигурации за измерване на ток откъм страната на по-високия захранващ потенциал – това е диференциален усилвател, който се състои от операционен усилвател MCPH01 и четири външни резистора. Схемата усилва малкия пад на напрежение върху резистивния датчик за ток с коефициента R2/R1 и потиска синфазното входно напрежение.
Коефициентът на потискане на синфазното входно напрежение (CMRRDIFF) се определя най-вече от разликите в стойностите на резисторите (R1, R2, R1*, R2*), а не от коефициента на потискане на синфазни сигнали на операционния усилвател; изборът на резистори с много малък толеранс само би увеличило цената.

При съотношение R2/R1 = 1, толеранс на резисторите ±0.1% би довел в най-лошия случай по постоянен ток до CMRRDIFF = 54 dB. Ако се използват резистори с толеранс ±1%, тази стойност би била само 34 dB.

Съпротивлението на резистора-датчик RSEN трябва да бъде много по-малко от R1 и R2, за да се намалят ефектите от натоварването на датчика с допълнителните резистори. Входните импеданси на диференциалния усилвател откъм напреженията V1 и V2 не са балансирани (не са равни). Ефектът от натоварване с резистори и небалансирания входен импеданс ще намали  CMRRDIFF.

Опорното напрежение (VREF ) позволява входът на усилвателя да бъде отместен към по-високо напрежение по отношение на общия проводник. VREF трябва да бъде получено от източник с ниско напрежение, за да не влоши CMRRDIFF..

Освен това, както е показано на фигура 3, входните напрежения (V1, V2) могат да бъдат представени чрез синфазните входни напрежения (VCM) и диференциалните входни напрежения (VDM). Тоест:

V1  = VCM + VDM/2
и
V2 = VCM - VDM/2
VOUT = (V1 - V2) х G + VREF = VDM х G + VREF,
където G = R2/R1

За да се предотврати насищането на едната или другата захранваща шина от VOUT , обхватът му трябва да бъде между VOL и VOH  (VOL  е минимално допустимото ниско ниво на изхода на операционния усилвател; VOH  - максимално допустимото високо ниво на изхода на операционния усилвател.) Обхватът на VCM на диференциалния усилвател може да бъде увеличен поради резистивния делител, съставен от R2, R1, R2* и R1*. В крайна сметка, това налага ограничения на спецификациите на VCM и VDM на диференциалния усилвател.

Като обобщение можем да отбележим, че диференциалните усилватели предлагат приемлив коефициент на потискане на синфазни сигнали, широк обхват на входните синфазни сигнали, ниска консумация, ниска цена и простота. Сред недостатъците им са ефектът от натоварване с резисторите на усилвателя, небалансирания входен импеданс и фактът, че настройката на усилването на усилвателя изисква промяна на стойността на повече от един резистор.

Измервателен усилвател с три операционни усилвателя
На фигура 4 е показан измервателен усилвател с три операционни усилвателя, който усилва слабите диференциални напрежения и потиска силните синфазни напрежения. Първото стъпало на този усилвател е реализирано с два буфера с висок импеданс (А1, А2) и резистори (RF и RG). Това елиминира двата най-големи недостатъка на предишната схема: ефекта на натоварване в резултат на входното съпротивление и небалансирания входен импеданс.

Освен това, RF и RG и увеличават коефициента на усилване на диференциалните входни напрежения (GDM) до 1 + 2*RF /RG и поддържат техния коефициент на усилване на синфазни сигнали (GCM), равен на единица. Това значително подобрява коефициента на потискане на синфазни сигнали на измервателния усилвател с три операционни усилвателя (CMRR3INA), тъй като

CMRR = 20 x log(GDM/GCM)

Друго предимство на схемата е, че общото усилване на измервателния усилвател с три операционни усилвателя може да се променя само с промяна на резистора RG, без да се налага да се настройват резисторите R1, R1*, R2 и R2 *.

Второто стъпало е реализирано като диференциален усилвател (А3), който усилва диференциалния сигнал и потиска синфазния сигнал. В практически приложения отношението R2/R1 обикновено е единица.

CMRR3INA е определен най-вече от коефициента на усилване на диференциалните сигнали на първото стъпало и това доколко двете двойки резистори R2/R1 и R2*/R1* са подбрани правилно. Толерансът на резисторите RF и RG  няма влияние върху CMRR3INA.

Измервателният усилвател с три операционни усилвателя обаче има проблем, който може лесно да не бъде забелязан. Това е намаленият обхват на входните синфазни напрежения VCM. Както е показано на фигура 4, входните напрежения (V1, V2) могат да бъдат представени чрез синфазните входни напрежения (VCM) и диференциалните входни напрежения (VDM). Тоест:

V1 = VCM + VDM/2
и
V2 = VCM - VDM/2

Усилвателите (А1 и А2) осигуряват коефициент на усилване в диференциален режим GDM, който е равен на общото усилване (G) и коефициент на усилване на синфазните сигнали (GCM), равен на единица. Напреженията VOUT1, VOUT2  и VOUT трябва да останат в разрешения обхват от напрежения между VOL и VOH . Схемата на измервателен усилвател с три операционни усилвателя налага специфични граници за VCM и VDM и особено обхватът на техния VCM ще бъде значително намален, когато работи в конфигурация с висок коефициент на усилване.

Схемата на измервателен усилвател с три операционни усилвателя осигурява висок коефициент на потискане на синфазни сигнали (CMRR3INA), освободена е от резистивния натоварващ ефект, има балансирани входни съпротивления и дава възможност общият коефициент на усилване да се настройва без да е необходимо да се променя стойността на повече от един резистор. При тази схема, обаче, обхватът на VCM е намален, а с увеличения брой на операционните усилватели сложността и цената нарастват.

Измервателен усилвател с два операционни усилвателя
В сравнение с измервателния усилвател с три операционни усилвателя (ОУ), този с два операционни услвателя, показан на фигура 5, осигурява по-ниска цена и консумация на енергия. Също така, неговият входен импеданс е много висок, с което се избягва резистивният товарен ефект и проблемите с небалансирания входен импеданс.
Тук коефициентът на потискане на синфазни сигнали CMRR2INA e определен най-вече от общото усилване на схемата и от чистия толеранс на съответствието на двете двойки резистори R2/R1 и R2*/R1*.

Както е показано на фигура 5, входните напрежения (V1, V2) могат да се представят чрез обхвата на входното синфазно напрежение (VCM) и входното напрежение в диференциален режим (VDM). Тоест,

V1 = VCM  - VDM/2
V2 = VCM  + VDM/2

Отново трябва да отбележим, че VOUT и VOUT1  следва да бъдат в разрешения обхват с напрежения между VOL и VOH , и че тази конфигурация налага ограничения на стойностите на VDM и VCM.

За разлика от схемата с измервателен усилвател с три ОУ, обхватът на VCM на схемата на измервателен усилвател с два ОУ ще бъде значително по-малък, когато се работи с ниски стойности на коефициента на усилване. Освен това, несиметрията на схемата в сигналната верига за общ сигнал причинява фазово закъснение между VOUT1 и V1 и по този начин понижава параметъра CMRR по променлив ток.
Както се вижда от фигура 5, входният сигнал V1 трябва да премине през усилвателя А1 преди да бъде изваден от V1 от усилвателя А2 . По този начин VOUT1  е леко закъснял и преместен по фаза спрямо V2. Това е съществено ограничение.

Фигура 6 показва как чрез поставяне на резистора RG между двата инвертиращи входа общото усилване на диференциалния усилвател с два операционни усилвателя може лесно да се настрои само чрез RG. Съотношението на R2 към R1 се установява според желаното минимално усилване. Друго предимство, получено от добавянето на резистора RG, е, че големите стойности на R2 и R2* може да бъдат избегнати при конфигурации с много голямо усилване. Както при другите конфигурации, чрез детайлни изчисления могат да бъдат откроени изискванията за VDM и VCM за схемата на измервателен усилвател с два ОУ с допълнителен резистор RG.

Последната разглеждана схема осигурява висок коефициент на потискане на синфазните сигнали по постоянен ток (DC CMRR2INA), липса на резистивен натоварващ ефект, балансиран входен импеданс и намалена цена и консумация на енергия в сравнение с диференциалния усилвател с три операционни усилвателя. Нейните недостатъци включват намален обхват на VCM, нисък коефициент на потискане на синфазни сигнали по променлив ток (AC CMRR2INA) поради несиметричността на схемата и неспособност да работи с единично усилване.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top