Z życia elektronika – #14 – Metody pomiaru prądu

Na rozgrzewkę:

W projekcie nad, ktorym obecnie pracuję jest zainstalowane kilkanaście takich samych wyjść, identycznie obciążonych. Na początku projektu myślałem nad wykorzystaniem gotowych sterowników, zawierająych zabezpieczenie prądowe oraz temperaturowe. Wspomniane sterowniki okazały się zbyt drogie, więc znalazłem inne rozwiązanie. Zdecydowałem się na użycie tranzystorów MOSFET, lecz pozostał problem zabezpieczenia wyjść przed zbyt dużym prądem. Wymyśliłem układ do pomiaru prądu dla kilku wyjść, który informuje procesor o sumie prądów. We wpisie opiszę Ci sposoby pomiaru prądu w oparciu o wzmacniacze operacyjne oraz parametry wzmacniaczy na jakie należy zwrócić uwagę przy ich doborze do podobnych aplikacji.

Zakres wpisu:

  • Metody pomiaru prądu
  • Parametry wzmacniaczy operacyjnych kluczowe we wspomnianej aplikacji
  • Wybrany układ w realizowanym projekcie

Metody pomiaru prądu z wykorzystaniem wzmacniaczy operacyjnych:

Pomiar High Side: do pomiarów tą metodą wykorzystywane są wzmacniacze różnicowe. Wzmacniacze różnicowe wykonane są, tak aby napięcie wspólne nie występowało na wyjściu. Pomiar wykonywany jest na podstawie różnicy napięć pomiędzy wejściem odwracającym i nieodwracającym, schemat poniżej. Do wykonania tego typu pomiaru niezbędny jest wzmacniacz, który charakteryzuje się wysokim napięciem wspólnym, ponieważ wejścia pracują w przybliżenium na napięciu zasilania układu mierzonego. 

Uwagi projektowe:

  • Rezystory R1, R2 muszą być bardzo precyzyjne. Rozrzut rezystancji powoduje zmniejszenie CMRR
  • R1 i R2 muszą mieć dużo większą wartość w stosunku do Rb 
  • Źródło napięcia Vref powinno mieć bardzo małą impedancję, aby nie wpływać na zmianę rezystancji R2
  • Zaletą tego typu pomiaru jest możliwość pomiaru stanu zwarcia

Pomiar Low Side: do tego typu pomiaru mogą być wykorzystywane zwykłe wzmacniacze, ponieważ pomiar odbywa się względem potencjału masy. 

Uwagi projektowe:

  • Urządzenie, którego mierzony jest prąd nie pracuje na potencjale masy. Jego masa jest przesunięta o spadek napięcia na rezystorze Rb
  • Brak możliwości detekcji stanu zwarcia
  • Układ pracował by bez rezystora R3, lecz dzięki niemu wyrównywana jest rezystancja wejść. Wartość rezystora R3 jest równa równoległemu połączeniu rezystorów R1 i R2. Dzięki temu zabiegowi wejściowy prąd polaryzacji nie powoduje nierównych spadków napięć. Spadek napięcia na wejściach wzmacniacza wywołany na skutek prądu polaryzacji widziany jest przez wzmacniacz jako napięcie różnicowe
  • Rezystory w obwodzie sprzężenia zwrotnego nie powinny mieć zbyt dużych wartości, typowo 2k-100kΩ 

Parametry wzmacniaczy operacyjnych kluczowe we wspomnianej aplikacji:

  • Prąd polaryzacji: równy jest połowie prądu wpływającego do obu wejść zwartych ze sobą (wzmacniacz oparty o tranzystory polowe rzędu pA, a bipolarne rzędu nA)
  • Prąd niezrównoważenia: prądy polaryzacji nie są sobie równe, parametr ten określa różnicę prądów wejścia odwracającego i nieodwracającego, wzmacniacze z wejściami bipolarnymi mają mniejszy prąd niezrównoważenia
  • Zakres dopuszczalnych zmian napięcia różnicowego: w większości wzmacniaczy równy napięciu zasilania
  • Wejściowe napięcie niezrównoważenia: czyli napięcie jakie należy przyłożyć do zwartych wejść, aby na wyjściu otrzymać 0V

Wybrany układ w realizowanym projekcie

W realizowanym przeze mnie projekcie, o którym wspomniałem we wstępie wybrałem pomiar prądu typu Low Side. Kierowałem się przede wszystkim ceną, przy wyborze metody. Wybrałem wzmacniacz o niskim napięciu niezrównoważenia, niskim prądzie niezrównoważenia, o zakresie różnicowego napięcia wejściowego równym napięciu zasilania. 

Autor artykułu
Mateusz Pluta

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *