Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 24 августа
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Новое семейство высокоточных ИОНов от TI

По своей точности и эффективности новое семейство ИОНов REF50xx приближаются к скрытым (buried) зенеровским диодам, но при этом имеют более [[низкую стоимость]]

Прецизионный ОУ с однополярным питанием, e-Trim™ точностью и низким уровнем шума

Texas Instruments представила [[оперативной усилитель]] с однополярным питанием

Особенности применения операционных усилителей при однополярном питании

Тенденции применения электронных компонентов направлены на снижение энергопотребления и стоимости, поэтому в современных изделиях используется однополярное питание, и с каждым годом значения питающих напряжений уменьшаются. В статье рассмотрены основные проблемы, с которыми сталкивается разработчик при использовании операционных усилителей в схемах с [[однополярным питанием]].

 

7 апреля

Измерение тока в плюсовом проводе питания: усилитель разности или токоизмерительный усилитель?

Задача измерения тока в положительном проводе возникает в автомобильных, коммуникационных, бытовых и промышленных устройствах. Представленные на рынке интегральные высоковольтные усилители разности и токоизмерительные усилители успешно решают эту задачу. Однако каждый из них имеет свои особенности. В данной статье подробно рассматриваются характеристики данных приборов и даются рекомендации разработчику по выбору наиболее подходящего усилителя для конкретной задачи.



Т

очное измерение тока в положительном проводе требуется во многих устройствах, в том числе в схемах управления двигателями, соленоидами, в схемах управления питанием, например в DC/DC-преобразователях и устройствах контроля батарейного питания. В таких схемах измерение тока в положительном (а не в «земляном») проводе позволяет расширить возможности диагностики сбоев (определение коротких замыканий), обеспечить измерение тока через демпфирующие диоды и неразрывность заземления, так как в этом случае не требуются резистивные шунты в заземляющей цепи.
На рисунках 1, 2 и 3 показаны типичные конфигурации токоизмерительной цепи в схемах управления соленоидами и двигателями.

 

Рис. 1. Шунт в «положительном» проводе схемы управления соленоидом

Рис. 2. Шунт в «положительном» проводе мостовой схемы управления двигателем

 

Рис. 3. Шунт в «положительном» проводе трехфазной схемы управления двигателем


Во всех показанных выше конфигурациях синфазный сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на шунтовом резисторе имеет размах от нуля до положительного напряжения питания. Параметры ШИМ-сигнала (период, частота и время нарастания/спада импульсов) определяются сигналами управления полевыми транзисторами. Таким образом, схемы, обеспечивающие дифференциальное измерение сигнала на шунтовом резисторе, должны сочетать в себе такие свойства: иметь высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) и быть способны работать при высоком синфазном напряжении, обладать высоким коэффициентом усиления, высокой точностью и малой величиной смещения, чтобы на выходе получить точное значение измеренного тока через нагрузку.
В схеме управления соленоидом (см. рис. 1), где используется один полевой транзистор, ток всегда течет в одном направлении, поэтому здесь достаточно токоизмерительной схемы, работающей с одним направлением тока.
В схеме управления двигателем (см. рис. 2 и 3) шунт включен последовательно с двигателем; это означает, что ток может идти в любом направлении, поэтому здесь нужен двунаправленный измеритель тока.
Разработчик, изучающий варианты схем для измерения тока в положительном проводе, может найти множество предназначенных для этого микросхем разных производителей. Однако при этом обнаружится, что все возможные варианты выбора можно разделить на две категории: токоизмерительные усилители и усилители разности.
В этой статье рассматриваются принципы устройства этих двух архитектур и отличия между ними, это поможет разработчику выбрать оптимальный вариант для своей схемы. Сравниваются две микросхемы: усилитель разности AD8206 и токоизмерительный усилитель AD8210 для двунаправленного измерения тока. Оба эти устройства имеют одинаковое расположение выводов, оба обеспечивают измерение тока в положительном проводе, но их архитектура и характеристики различны. Итак, чем нужно руководствоваться, чтобы решить, какой усилитель оптимально подходит для вашего случая?

 

КАК ОНИ РАБОТАЮТ

AD8206 (см. рис. 4), интегральный усилитель разности, работает при высоком синфазном напряжении (до 65 В) за счет встроенного входного резистивного делителя с коэффициентом 16,7 : 1, так что входное напряжение находится в приемлемых для усилителя A1 пределах. К сожалению, этот резистивный делитель в той же степени ослабляет и входной дифференциальный сигнал. Чтобы обеспечить общее усиление 20, усилители A1 и A2 должны обеспечить усиление 334.

 

Рис. 4. Упрощенная схема усилителя AD8206


Данный прибор производит двунаправленное измерение тока за счет смещения напряжения выходного усилителя в соответствующий диапазон. Смещение обеспечивается путем подачи внешнего напряжения с низкоимпедансного источника на прецизионный резистивный делитель, подключенный к положительному входу усилителя A2. Полезное свойство данного усилителя — способность усиливать дифференциальное входное напряжение при отрицательном синфазном напряжении на входе до –2 В. Это обеспечивается схемой смещения 250 мВ, показанной на рисунке 4.
Усилитель AD8210 (см. рис. 5) — недавно разработанный токоизмерительный усилитель, который обеспечивает те же функциональные возможности и имеет такое же расположение выводов, что и AD8206. Однако принцип его действия другой, и его характеристики отличаются от характеристик усилителя разности.

 

Рис. 5. Структурная схема усилителя AD8210


Очевидное различие заключается в том, что во входной схеме отсутствуют резистивные делители напряжения, предназначенные для работы с высоким синфазным напряжением. Во входном усилителе применены высоковольтные транзисторы, которые можно изготавливать в технологическом процессе XFCB. Напряжение пробоя VCE этих транзисторов не ниже 65 В, таким образом, синфазное напряжение на входе может достигать 65 В.
Токоизмерительные усилители, подобные AD8210, усиливают слабый дифференциальный сигнал следующим образом. Входной сигнал поступает на дифференциальный усилитель A1 через резисторы R1 и R2. Усилитель A1 приводит к нулю напряжение между его входами за счет управления с помощью транзисторов Q1 и Q2 током, протекающим через резисторы R1 и R2. Когда дифференциальный сигнал на входе AD8210 равен нулю, токи через резисторы R1 и R2 равны. При появлении ненулевого дифференциального сигнала ток через один резистор увеличивается, а через другой уменьшается. Разница токов зависит от величины и полярности входного сигнала. Дифференциальные токи через транзисторы Q1 и Q2 преобразуются в дифференциальное напряжение относительно «земли» с помощью прецизионных калиброванных резисторов. Это напряжение затем усиливается усилителем A2, в котором на этот раз применены обычные низковольтные транзисторы, работающие при напряжении питания 5 В (обычно), и этот усилитель обеспечивает общий коэффициент усиления 20.
Токоизмерительные усилители с такой архитектурой обычно используются, если входное синфазное напряжение не опускается ниже 2…3 В, т.е. в схеме не требуется, чтобы синфазное напряжение доходило до уровня «земли» или ниже. Однако в AD8210 имеется схема «подтяжки», обеспечивающая напряжение на входах усилителя A1 близкое к положительному напряжению питания 5 В, даже если синфазное напряжение на входах микросхемы упало ниже 5 В (до –2 В). Таким образом, возможно точное измерение дифференциального напряжения, даже если синфазное напряжение гораздо ниже напряжения питания усилителя 5 В.
Кажется, что токоизмерительный усилитель и усилитель разности выполняют одну и ту же функцию, хотя принципы их работы различны. Усилитель разности ослабляет входное напряжение до уровня, при котором может нормально работать обычный низковольтный усилитель. Токоизмерительный усилитель преобразует дифференциальное входное напряжение в ток, а затем преобразует этот ток опять в напряжение, но относительно «земли»; входной каскад этого усилителя способен выдерживать синфазное напряжение за счет того, что там применены высоковольтные транзисторы.
Различия в архитектурах этих усилителей, разумеется, приводят к различиям их характеристик, которые разработчик должен учитывать при выборе схемы измерения тока в положительном проводе. Технические описания на микросхемы обычно содержат почти всю необходимую информацию, необходимую для принятия решения о выборе усилителя: точность, быстродействие, энергопотребление и другие параметры. Однако некоторые ключевые различия, зависящие от архитектуры усилителя, не очевидны при чтении технического описания, но могут быть существенны для разработчика. Перечислим ключевые моменты, на которые инженер должен обращать внимание, чтобы прийти к оптимальному решению.

 

Ширина полосы частот

Из-за ослабления сигнала на входе полоса частот многих усилителей разности составляет около 1/5 полосы аналогичного токоизмерительного усилителя. Однако такой полосы частот достаточно для большинства случаев. Например, многие схемы управления соленоидами работают на частоте ниже 20 кГц, хотя в схемах управления двигателями нужна более высокая частота в связи с наличием значительных шумов. Дело в том, что в схемах управления соленоидами обычно важно только среднее значение тока, и поэтому полосы, которую обеспечивают усилители разности, вполне достаточно. Однако в схемах управления двигателями важно знать мгновенное значение тока; таким образом, токоизмерительный усилитель с его более широкой полосой будет точнее.

 

Ослабление синфазного сигнала

Различия в архитектурах входных цепей этих усилителей также приводят к разным значениям КОСС. Усилитель разницы обычно имеет на входе резисторы с точностью 0,01%. Такая степень точности обычно обеспечивает гарантированную величину КОСС 80 дБ на постоянном токе.
Токоизмерительный усилитель с его транзисторной структурой на входе обес­печивает лучшую симметрию, по­этому КОСС, не зависящий здесь от точности совпадения сопротивлений резисторов, может достигать 100 дБ, но если синфазное напряжение не слишком мало. Например, AD8210 обеспечивает те же самые 80 дБ КОСС, если синфазное напряжение ниже 5 В. При таком напряжении входные транзисторы становятся резистивными из-за схемы «подтяжки», упомянутой выше, так что в этом случае КОСС опять-таки определяется прецизионными резисторами, подстроенными с точностью 0,01%. Но в целом, при более высоких значениях синфазного напряжения токоизмерительный усилитель обеспечивает более высокий КОСС.

 

Эффект от внешней фильтрации входного сигнала

Если используется внешняя фильтрация, архитектура усилителя сильно влияет на работу схемы. Входной фильтр, предназначенный для «сглаживания» шума и выбросов тока, обычно реализуется, как показано на рисунке 6.

 

Рис. 6. Входной фильтр


Так как в усилителе независимо от архитектуры на входе имеются точно подогнанные резисторы, то любые внешние дополнительные сопротивления нарушают баланс, что приводит к появлению погрешности усиления и ухудшению КОСС. Обычно можно воспользоваться следующими формулами:

 

где Rin — это входное сопротивление усилителя, указанное в техническом описании.
Усилитель разности обладает входным сопротивлением более 100 кОм. В случае AD8206, у которого Rin = 200 кОм, при использовании в фильтре резистора 200 Ом дополнительная погрешность усиления составит около 0,1%. При наличии этого внешнего резистора (в предположении, что точность резистора составляет 1%) КОСС достигнет 94 дБ, что на фоне имеющегося КОСС 80 дБ не будет играть никакой роли.
Токоизмерительные усилители, хотя и обладают гораздо более высоким синфазным входным импедансом, имеют на входе последовательные прецизионные резисторы сопротивлением обычно менее 5 кОм, чтобы преобразовывать входное дифференциальное напряжение в ток. Для AD8210 в приведенные выше уравнения нужно подставить Rin = 3,5 кОм (дифференциальный входной импеданс). В таком случае дополнительная погрешность усиления, внесенная описанным выше резистором, составит 5,4%! При этом КОСС может упасть до уровня 59 дБ в худшем случае. Это большой минус для усилителя, при нормальной работе обеспечивающего погрешность менее 2%.
Таким образом, надо обращать внимание на архитектуру усилителя при реализации входного фильтра в токоизмерительной схеме. Следует применять резисторы фильтра сопротивлением менее 10 Ом, если внутреннее сопротивление входа составляет 5 кОм или менее. При этом можно быть уверенным, что исходная точность усилителя не пострадает. Как показано выше, если применен усилитель разности, то можно использовать более широкий диапазон сопротивлений резисторов на входе — этот усилитель менее чувствителен к несовпадению сопротивлений.

 

Перегрузка входа

При измерении тока в положительном проводе питания разработчик должен учитывать возможные эффекты, которые могут привести к тому, что усилитель выйдет из допустимого диапазона сигналов. Обычно такой усилитель работает при входном дифференциальном напряжении не более нескольких сотен милливольт, падающих на низкоомном шунтовом резисторе, но выживет ли усилитель, если в случае аварии к входу усилителя будет приложено несколько вольт? В силу своей архитектуры усилитель разности гораздо более устойчив к таким воздействиям и, как правило, продолжает функционировать, после возвращения системы в нормальный режим работы. Резисторы входного делителя просто отводят ток на землю; при напряжении 65 В усилитель AD8206 с его резисторами 200 кОм будет отводить на землю ток 325 мкА.
Если же используется токоизмерительный усилитель, разработчик должен учитывать следующие возможные проблемы. В случае большого входного дифференциального напряжения такие усилители, как AD8210, могут и не выжить. В них обычно есть защитные диоды между входами. Эти диоды открываются при напряжении более 0,7 В. Перегрузочная способность этих диодов может быть различной, но большое напряжение (например, напряжение автомобильного аккумулятора) выведет усилитель из строя.

 

Защита от отрицательного напряжения

Во многих случаях необходимо защитить токоизмерительную схему от напряжения обратной полярности, особенно в автомобильных устройствах. Наличие резистивного делителя в усилителе разности — фактор, способствующий его выживанию. Тем не менее, разработчик должен учитывать допустимые напряжения и иметь в виду, что защитные диоды на входе откроются только при большом отрицательном напряжении.
Токоизмерительный усилитель неприемлем в таких случаях, так как входной усилитель и входные транзисторы будут напрямую подключены к отрицательному напряжению. Так как вход усилителя не рассчитан на отрицательное напряжение, входные диоды токоизмерительного усилителя откроются только тогда, когда напряжение выйдет за пределы допустимого.
Помимо постоянного отрицательного напряжения на входе усилителя могут быть кратковременные отрицательные выбросы напряжения. Это типично для систем с ШИМ, где синфазное напряжение на входе усилителя быстро меняется от нуля до напряжения питания, когда полевые транзисторы открываются или закрываются. Опять-таки, очень важно внимательно учитывать допустимые напряжения, которые зависят от входных защитных диодов. Усилители разности, как и в предыдущем случае, защищены входными делителями напряжения и в силу своей архитектуры довольно устойчивы к отрицательным выбросам, их защитные диоды позволяют подавить такие выбросы. Но когда используется токоизмерительный усилитель, отрицательный выброс, даже очень короткий, может вывести из строя защитные диоды, которые предназначены для работы только при очень небольших напряжениях. Хотя энергия таких импульсов обычно недостаточна, чтобы вывести из строя защитные диоды в усилителе AD8210, ситуация сильно зависит от конкретного экземпляра усилителя. Чтобы быть уверенным, что таких проблем не будет, необходимо протестировать макет устройства.

 

Входной ток

В схемах, где нужно получить высокую точность контроля тока, а сами токи невелики, при выборе усилителя необходимо принимать во внимание входной ток. Например, в схемах с батарейным питанием обе описанные архитектуры пригодны для измерения тока в положительном проводе. Однако когда система и питание усилителя отключены, а входы усилителя остаются подключенными к батарее, ток будет стекать на землю через входной резистивный делитель (в таких усилителях, как AD8206). Но в токоизмерительных усилителях с их высоким синфазным импедансом (более 5 МОм для AD8210) ток практически не будет потребляться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерение тока в положительном проводе широко применяется в автомобильных, коммуникационных, бытовых и промышленных устройствах. Интегральные высоковольтные усилители разности и токоизмерительные усилители, широко представленные на рынке, успешно выполняют эту функцию. Разработчику необходимо внимательно относиться к выбору наиболее подходящего усилителя в зависимости от требуемых характеристик и допустимых режимов работы. Принципы выбора суммированы в приведенной ниже таблице 1.

 

Таблица 1. Особенности усилителей для измерения тока

Особенности

Токоизмерительный усилитель

Усилитель разности

Быстродействие идеально для контроля…

Мгновенного тока

Среднего тока

КОСС (для постоянного тока), дБ

Более 100

Около 80

КОСС (для переменного тока), дБ

Около 80

Около 80

Потребление тока по входам при отключенном питании

Очень мало

Ток протекает через входной делитель напряжения

Внешняя фильтрация

После усиления

До или после усиления

Перегрузки по входу

Требуют тщательного рассмотрения

Обычно довольно надежен


Для измерения тока могут применяться оба типа усилителей, но каждый из них имеет свои преимущества, которые надо учитывать в каждом конкретном случае. Для получения мгновенного значения тока более оптимальны токоизмерительные усилители с их более широкой полосой усиления, хотя для измерения среднего тока прекрасно подходят усилители разности. Кроме того, схемы, в которых важен потребляемый ток, получат преимущество при использовании токоизмерительного усилителя с их минимальным входным током при выключенном питании усилителя. Однако характеристики токоизмерительного усилителя могут ухудшиться при наличии внешнего фильтра, и для них требуется точный расчет допустимых режимов работы.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Хенри Сино (Henry Sino), технический специалист, компания Analog Devices



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты