Pytanie:

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

Odpowiedź:

Pomiar prądu jest kluczowym zagadnieniem w bardzo wielu aplikacjach. Należą do nich: kontrola układów wykonawczych, testy i pomiary, kondycjonowanie sygnału czujników i pomiar energii – oraz wiele innych. W zależności od aplikacji projektanci muszą wybrać najlepszą metodę, aby wykryć i kondycjonować prąd płynący przez obwód. Problem polega na tym, że dostępnych jest wiele opcji. Przykładowo, przy precyzyjnych pomiarach prądu możemy 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 w badanym obwodzie i jednocześnie go nie obciążać. Zazwyczaj mały rezystor w funkcji bocznika powoduje odłożenie się na nim niewielkiego napięcia, które należy następnie wzmocnić i/lub przesunąć jego poziom w celu dalszego przetwarzania. Bocznik ma względnie małą rezystancję, aby zminimalizować obciążenie, a w pewnych wypadkach również wydzielaną moc. W każdym razie narzuca wyzwanie radzenia sobie z małym napięciem. Co więcej, może nie być uziemiony, co oznacza pomiar napięcia różnicowego względem ciągle zmiennego punktu odniesienia (tzw. napięcia pływającego). W zależności od aplikacji, 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 najbardziej oczywistą metodą, ale nie zapewnia przesunięcia poziomu. To rozwiązanie można wykorzystać do pomiaru małych prądów. Minimalizacja napięcia obciążenia jest osiągana poprzez proste zmniejszenie wartości opornika i odpowiednie zwiększenie wzmocnienia wzmacniacza (rysunek 1b), ale często skutkuje to wzrostem poziomu szumów i spadkiem precyzji. Lepszym sposobem na obniżenie napięcia obciążenia do minimum – zwłaszcza w przypadku małych prądów – jest obwód wzmacniacza w układzie transimpedancji (TIA), zwany również przetwornikiem prąd-napięcie. Rysunek 1c pokazuje, że stosowanie TIA jest równoważne włączeniu bocznika w obwód sprzężenia wzmacniacza, aby obniżyć spadek napięcia praktycznie do zera (lub prawie zera, ponieważ nie można wyeliminować błędów offsetowych nieidealnego wzmacniacza). To rozwiązanie działa, dopóki prąd jest mniejszy od maksymalnego prądu wyjściowego 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 jest uziemiony (jest na potencjale) lub w obwodach pętli. Wzmacniacze pomiarowe (instrumentalne) są wygodnymi i precyzyjnymi układami odpowiednimi do tej sytuacji (rysunek 1d). Są one z powodzeniem stosowane w przypadku pomiarów prądu wysokiej precyzji, w tym w standardowych pętlach prądowych 4-20 mA, licznikach energii i interfejsach czujników oraz wielu innych.

Rys. 1. Topologie mierników prądu

Zdarzają się przypadki, gdy bocznik musi wisieć na takiej wartości napięcia sygnału współbieżnego, który przekracza poziom zasilania tradycyjnego 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 sterownikach silników lub siłowników.

Przed rozpoczęciem nowego projektu czujnika prądu warto rozważyć powyższe opcje i skorzystać z narzędzi projektowych dostępnych on-line, takich jak Photodiode Wizard i Diamond Plot Tool dla wzmacniaczy pomiarowych. Photodiode Wizard pozwala również zaprojektować odpowiednio skompensowane wzmacniacze ITA nawet, jeśli nie są one przeznaczone do obsługi fotodiody – zakładając, że znana jest nam pojemność czujnika lub kabla. Z kolei narzędzie Diamond Plot pozwala na natychmiastową wizualizację obszaru pracy wzmacniacza pomiarowego w oparciu o zakres pracy bocznika.na

Warto również zajrzeć na forum EngineerZone, aby zapoznać się z rozwiązaniami opracowanymi przez innych. Mam nadzieję, że wymienione opcje pomogą czytelnikom zorientować się, jaki wariant jest najbardziej sensowny do ich aplikacji czujnika prądowego.