Przymierz się bez napięć do pomiaru prądu

promo1

 

Pytanie:

Chcę zmierzyć prąd, ale nie wiem, jaki wzmacniacz wybrać. Jak do tego podejść?

Odpowiedź:

Pomiar prądu jest kluczowym zagadnieniem w bardzo wielu zastosowaniach. Należą do nich: kontrola układów wykonawczych, testy i pomiary, kondycjonowanie sygnału czujników i pomiar energii – oraz wiele innych. W zależności od zastosowania projektanci muszą wybrać najlepszą metodę, aby zmierzyć i kondycjonować prąd płynący przez obwód. Problem polega na tym, że dostępnych jest wiele opcji. Przykładowo, w precyzyjnych pomiarach prądu można użyć dyskretnych wzmacniaczy operacyjnych, aby zbudować wzmacniacz transimpedancji lub też wykorzystać jeden z wielu zintegrowanych wzmacniaczy. Jaki zatem wzmacniacz będzie najbardziej odpowiedni do pomiaru prądu w konkretnej sytuacji?

Powinno być oczywiste, że prąd należy mierzyć układem połączonym szeregowo z badanym obwodem i jednocześnie nie obciążać tego układu.  Zazwyczaj mały rezystor bocznikujący powoduje odłożenie się na nim niewielkiego napięcia, które należy następnie wzmocnić lub przesunąć jego poziom w celu dalszego przetwarzania. Bocznik ma względnie małą rezystancję, aby zminimalizować obciążenie, a w pewnych wypadkach również wydzielaną moc. Tak czy inaczej, stwarza on dodatkową trudność w postaci konieczności obsługi małego napięcia. Ponadto bocznika nie można uziemić, zatem napięcie trzeba mierzyć różnicowo i przesunąć z aktualnego, często zmiennego poziomu do poziomu użytecznego. W zależności od zastosowania natężenia prądu mogą się różnić o wiele rzędów wielkości, od attoamperów do kilku amperów i więcej. Aby uprościć proces wyboru, przyjrzyjmy się kilku możliwościom i przykładom ich stosowania.

Włączenie bocznika w ścieżkę prądu (rysunek 1a) i wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego do buforowania lub wzmocnienia jest prawdopodobnie najbardziej oczywistą metodą, ale nie pozwala na żadne przesunięcie poziomu. To rozwiązanie można wykorzystać do pomiaru prądu po stronie uziemienia. Zmniejszenie spadku napięcia jest osiągane poprzez proste zmniejszenie wartości opornika i odpowiednie zwiększenie wzmocnienia wzmacniacza (rysunek 1b), ale to często powoduje wzrost poziomu szumów i spadek precyzji. Lepszym sposobem na obniżenie spadku napięcia do minimum – zwłaszcza w przypadku małych prądów – jest obwód wzmacniacza transimpedancji (TIA), zwany również przetwornikiem prąd-napięcie. Rysunek 1c pokazuje, że stosowanie TIA jest równoważne włączeniu bocznika w obwód wzmacniacza, aby obniżyć spadek napięcia praktycznie do zera (choć napięcia niezrównoważenia i błędu w stosunku do poziomu wejściowego nie można całkowicie wyeliminować). To działa, dopóki prąd jest mniejszy od maksymalnego prądu wejściowego wzmacniacza, który zazwyczaj jest rzędu miliamperów. Ze względu na niskie i stałe napięcie obciążenia, TIA są zazwyczaj wykorzystywane do pomiaru prądu czujników – takich jak fotodiody – dając bardzo dokładne wyniki. Jednak wzmacniacze transimpedancji mogą być czasami niepraktyczne, na przykład gdy mierzony prąd nie znajduje się po stronie masy obciążenia. W przypadku pomiaru prądów po stronie zasilania zachodzi potrzeba pomiaru prądu w osobnym obwodzie. W takiej sytuacji można wykorzystać wzmacniacze pomiarowe (instrumentalne), które są wygodnymi i precyzyjnymi układami odpowiednimi do tej sytuacji (rysunek 1d). Takie wzmacniacze są z powodzeniem stosowane w przypadku pomiarów prądu z wysoką precyzją, w tym w przetwornikach w standardzie 4-20 mA, miernikach poboru mocy i interfejsach czujników oraz wielu innych.

 

Rys. 1. Topologie mierników prądu
Rys. 1. Topologie mierników prądu

Zdarzają się przypadki, gdy boczniki odczuwają zmiany napięcia składowej sumacyjnej, która przekracza poziom zasilania typowego wzmacniacza. Wówczas taki system może stać się zbyt kosztowny – wymagałby na przykład dodatkowej izolacji. W odróżnieniu od wzmacniaczy pomiarowych, wzmacniacze różnicowe i scalone układy do pomiaru prądu mogą dokonywać pomiarów w obecności dużych i zmiennych napięć składowej sumacyjnej. Stanowią one niedrogie i solidne rozwiązanie, które sprawdza się bardzo dobrze w kontroli silnika i układów wykonawczych.

Przed rozpoczęciem projektu nowego miernika prądu warto rozważyć przedstawione tu opcje i skorzystać z sieciowych narzędzi projektowych, takich jak Photodiode Wizard lub Diamond Plot Tool dla wzmacniaczy pomiarowych. Program Photodiode Wizard pozwala również zaprojektować odpowiednio skompensowane wzmacniacze ITA nawet, jeśli nie są one przeznaczone do obsługi fotodiody – wystarczy, że znana jest pojemność czujnika lub kabla. Z kolei narzędzie Diamond Plot pozwala natychmiast wyświetlić obszar pracy wzmacniacza pomiarowego w oparciu o zakres pracy bocznika.

Warto również zajrzeć na forum EngineerZone, aby zapoznać się z rozwiązaniami opracowanymi przez innych. Mam nadzieję, że wymienione opcje pomogą czytelnikom zorientować się, jaki wybór będzie najlepszy do ich systemu pomiaru prądu.

O autorze

Gustavo Castro - Analog Devices
Gustavo Castro jest inżynierem aplikacyjnym w Linear and Precision Technology Group w Wilmington, MA. Główny obszar jego zainteresowań to modelowanie sygnałów analogowych i mieszanych dla celów precyzyjnego kondycjonowania sygnałów i oprzyrządowania elektronicznego. Przed pojęciem pracy w Analog Devices w 2011, przez 10 lat projektował wysokiej jakości multimetry cyfrowe i precyzyjne zasilacze DC w National Instruments. Gustavo osiągnął stopień B.S. (odpowiednik licencjatu) w dziedzinie systemów elektronicznych na uczelni Tecnológico w Monterrey, a następnie stopień M.S. (magisterium) z inżynierii mikrosystemów i materiałowej na Northeastern University. Posiada już trzy patenty.