Высоковольтный усилитель расширяет диапазон измерений счетчика кулонов до ±270 В

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2016

Kris Lokere, Linear Technology

Electronic Design

Измерение малых токов (подсчет кулонов) является сложной задачей, когда напряжение в измеряемой цепи относительно высоко, однако ее можно решить с помощью стандартных микросхем.

При низких и средних напряжениях батареи – примерно до 20 В – счетчик кулонов для измерения заряда, втекающего в батарею или вытекающего из нее, можно сделать на основе небольшой специализированной микросхемы. Используя в качестве схемы сдвига уровня высоковольтный усилитель, вы можете расширить диапазон измеряемых входных напряжений до значительно более высоких значений. Некоторые особенности дифференциального усилителя LT6375 позволяют этой микросхеме сохранять точность в удивительно широком диапазоне напряжений.

Работа счетчика кулонов основана на измерении падения напряжения на токоизмерительном резисторе, пропорционального току, накопленное значение которого должно быть подсчитано. На Рисунке 1 показано типовое включение микросхемы LTC2941 в низковольтном счетчике кулонов. Важным моментом является то, что в действительности счетчик кулонов измеряет напряжение, затем интерпретирует его как ток и позже отображает в виде заряда. Если токоизмерительный резистор удалить и каким-либо образом сформировать на измерительных выводах счетчика кулонов другое напряжение, счетчик все равно будет интерпретировать это напряжение как ток и пересчитывать его в накопленный заряд.

Рисунок 1.	Упростить низковольтные измерения помогает счетчик кулонов, такой, например, как LTC2941.

В схеме на Рисунке 2 выход LT6375 подключен к токоизмерительным входам счетчика кулонов. Микросхема представляет собой усилитель разностного сигнала, дополненный прецизионными резисторами, включенными так, чтобы смещать уровень дифференциального входного напряжения. Выходное напряжение дифференциального усилителя равно

OUT = REF + GAIN × [(+IN) – (–IN)].

где

REF, +IN, –IN – напряжения на соответствующих выводах,
GAIN – коэффициент усиления усилителя.

Рисунок 2.	Добавление дифференциального усилителя расширяет диапазон напряжений, в котором возможен подсчет кулонов.

Микросхема LT6375 имеет буферизованный выход, но вывод REF необходимо подключать к источнику с низким сопротивлением. Аналогичным образом, к низкоимпедансному источнику должен быть подключен и вход SENSE+ счетчика LTC2941, одновременно служащий выводом питания микросхемы. Выводы REF и SENSE+ можно подключить к той же шине логического питания (например, 3.3 В), которая используется интерфейсом I²C. Если соединить выход OUT микросхемы LT6375 с входом SENSE–, на входах LTC2941 будет представлена разность напряжений между входами LT6375. По сути, LT6375 работает здесь как искусственный токоизмерительный резистор.

Точность дифференциального усилителя в значительной степени зависит от качества согласования сопротивлений резисторов. Но если прямое влияние согласования резисторов на точность усиления очевидно, то менее очевидной, однако более серьезной проблемой является влияние согласования на ошибки смещения. При однопроцентном разбросе сопротивлений резисторов смещение выходного напряжения будет составлять 1% от уровня, на который сдвигается напряжение.

Например, при сдвиге 48-вольтового входного сигнала до уровня 3 В ошибка смещения составит 450 мВ, что слишком много для измерений такого рода. Указанный в документации на LT6375A минимальный коэффициент подавления синфазного сигнала составляет 97 дБ, что при сдвиге напряжения 45 В соответствует смещению менее 640 мкВ.

При разработке высоковольтной схемы сдвига уровня очень важно убедиться в том, что напряжения на входах операционного усилителя (ОУ) остаются в пределах допустимого для них диапазона. Для микросхемы LT6375 максимально допустимое напряжение на выводе питания равно 60 В, поэтому в некоторых случаях его можно подключать к измеряемому напряжению. Именно так сделано в схеме на Рисунке 2, где LT6375 измеряет ток от источника питания 48 В.

Рисунок 3.	Деление входного напряжение –42 В путем подключения дополнительных опорных выводов к источнику 5 В смещает входные уровни до значений, допустимых для ОУ.

И, наконец, отметим, что микросхема содержит дополнительные прецизионные резисторы, которые с помощью внешних выводов можно сконфигурировать для деления входного синфазного напряжения, сохраняя при этом дифференциальный коэффициент усиления равным единице. В схеме на Рисунке 3 все дополнительные опорные выводы (REFi) подключены к источнику 5 В и делят входное напряжение –42 В до уровня, не превышающего максимально допустимого для ОУ напряжения питания. В других приложениях может оказаться полезной еще одна уникальная особенность конструкции внутреннего операционного усилителя микросхемы LT6375, благодаря которой его входы могут работать при напряжениях, превышающих напряжение на шине питания ОУ. Комбинируя использование перечисленных функций, вы можете сконструировать схему, способную контролировать источники питания с диапазоном напряжений ±270 В.

Материалы по теме