Многодекадный монитор тока как воплощение простоты

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2017

Эта идея оказалась настолько же полезной, насколько и простой. С помощью всего трех или четырех компонентов она позволяет в пределах одного диапазона измерять токи от единиц микроампер до сотни миллиампер.

Разрабатывая схему с микроконтроллером PIC, я столкнулся с необходимостью контроля тока, забираемого платой от пары элементов AA. Хотя бóльшую часть своего времени микроконтроллер проводил в спячке, когда в общем балансе рассеиваемой мощности преобладал собственный ток потребления повышающего преобразователя, равный 30 мкА, плата могла периодически включаться на короткое время для измерения, отображения и передачи информации, потребляя при этом от 8 мА до 100 мА. Попытки использовать цифровой мультиметр на фиксированных диапазонах оказались бесполезными, а автоматический выбор диапазонов не давал ничего, кроме головной боли из-за быстрой смены циклов и коротких периодов включения. В результате само собой возникло следующее решение.

Падение напряжения на диоде увеличивается пропорционально логарифму протекающего через него тока в соответствии с уравнением идеального диода:

где

I_F – прямой ток,
I₀ – обратный ток насыщения,
e – заряд электрона (1.602×10^-19 Кл)
V_F – прямое напряжение,
T – температура в градусах Кельвина (K),
k – постоянная Больцмана (1.380×10^-23 Дж/K).

(Это слегка урезанная инженерная версия. Полный вариант можно найти в [1]). Для наших целей из этого уравнения мы можем получить:

при данной температуре.

Теперь зашунтируем диод механизмом измерительного прибора. При очень слабых токах он будет показывать микроамперы, поскольку ток протекает, в основном, через него, а не через диод, в то время как при больших токах прибор будет показывать падение напряжения на диоде, то есть, логарифм тока (вспомните о диоде как адаптивном шунте). Таким образом, в нижней части измерительная шкала может считаться линейной, в верхней – логарифмической, а в середине – ни той, ни другой, но все эти части очень полезны.

Использование диода Шоттки, измерительной головки 100 мкА/1.7 кОм и соответствующего последовательного резистора позволяет, как показано на Рисунке 1, в одном диапазоне измерять токи от 10 мкА до 100 мА и более со скоростью, ограниченной только динамикой измерительной головки.

Рисунок 1.

Подобные простые схемы содержат больше проблем, чем компонентов! Помимо неудобной процедуры калибровки (подробнее о которой будет рассказано ниже), эта схема имеет два основных недостатка: падение напряжения и температурную нестабильность. На диоде упадет до 400 мВ, поэтому придется использовать новые или полностью заряженные батареи, чтобы испытываемое вами устройство не сочло батарею разряженной.

В нижней части шкалы, когда почти весь ток течет через измерительную головку, температурный коэффициент измерителя невелик, и определяется температурным дрейфом механических и магнитных характеристик головки. При более высоких токах измеритель отображает падение напряжения на диоде, которое, конечно же, согласно уравнению диода, уменьшается со скоростью примерно 2 мВ/K. Это влияет не только на наклон логарифмической кривой, но и на положение нашей точки перехода от линейной зависимости к логарифмической. Вдобавок медная обмотка головки, вносящая значительный вклад в общее последовательное сопротивление, имеет при комнатной температуре температурный коэффициент сопротивления, равный +3930 ppm/K. Результирующие зависимости отклонения стрелки головки от тока для диода 1N5817 при температурах 0°, 25° и 50 °C показаны на Рисунке 2. Эти кривые учитывают температурные коэффициенты головки и диода, но игнорируют любые эффекты, связанные с саморазгревом диода. При достаточно стабильной температуре эти эффекты практического значения не имеют.

Рисунок 2.

Саморазогрев, в основном диода D1, также не является реальной проблемой. Если представить, что через диод протекает ток 100 мА, то при падении напряжения 400 мВ рассеваемая на нем мощность составит 40 мВт. Начальное тепловое сопротивление диода 1N5815 в корпусе DO-41, согласно справочным данным, равно 50 K/Вт. Сопоставление этих чисел показывает, что при токе 100 мА температура перехода увеличится всего на 2 градуса, что эквивалентно уменьшению V_F приблизительно на 4 мВ, то есть ошибка составит порядка 1% полной шкалы.

Старайтесь, чтобы выводы вашего диода были короткими, а тепловая масса большой. Не допускайте сильных бросков тока, которые, возможно, могут возникать при включении, поскольку ошибки измерений будут сохраняться до тех пор, пока переход не остынет вновь.

Рисунок 3.

На Рисунке 3 показан улучшенный вариант схемы, в которой температурный коэффициент компенсирован до нуля включением дополнительного диода последовательно с измерительной головкой. Характеристики этой схемы иллюстрируются Рисунком 4. Обратите внимание, что бóльшая часть шкалы теперь стала логарифмической, так как дополнительный диод эффективно подавил начальную линейную область. Однако теперь выбор диодов становится критичным, поскольку D2 должен иметь прямое напряжение чуть более низкое, чем D1, но при этом характеристики диодов должны быть согласованы. Обескураживающий вывод!

Рисунок 4.

Призовем на помощь LTspice! Мне очень повезло, так как первая комбинация диодов, которую я моделировал – 10MQ060N в качестве D1 и BAT54 в качестве D2 – оказалась и самой подходящей. Оба дешевы, доступны и изначально моделируются в LTspice, поэтому я рекомендовал бы именно их. Пара диодов 10MQ060N работает почти одинаково (а вот пара BAT54 – нет). Комбинации из других устройств, в основном, демонстрировали худшую точность из-за более сильной зависимости от температуры, поэтому, прежде чем собирать схему, проверьте ее на модели. Если чувствительность и сопротивление измерителя вас устраивают, резистор R1 можно исключить. Обеспечьте тепловой контакт диодов D1 и D2, чтобы они отслеживали температуру друг друга.

Кремниевые диоды с p-n переходом обычно имеют очень прямолинейные зависимости (log I_F)/V_F, а диоды Шоттки – нет. Это объясняется их конструкцией, которая по своей природе содержит более высокие последовательные сопротивления, из-за которых при малых токах характеристика становится более линейной, чем логарифм, и тем, что очень часто они имеют охранные кольца, необходимые для управления градиентом потенциала, которые могут образовывать p-n диоды, параллельные собственно переходу Шоттки. Поэтому на практике логарифмический закон теряет точный характер, и зависит как от величины тока, так и от типа прибора. Таким образом, если для первого варианта схемы вполне подойдет диод, найденный вами в ящике стола (при неизбежных для этого погрешностях схемы), то второй вариант требует тщательного подбора диодов. Подробнее эта тема раскрыта в [2].

Выбор измерительной головки объясняется очень просто: у меня был целый ящик дешевых и древних приборов 100 мкА/1700 Ом со шкалой размером 35×14 мм. Этот тип очень распространен, компактен и практичен, однако его конструкция, линейность и соответствие делений шкалы реальным токам заставили бы призрак месье д'Арсонваля заплакать.

Рисунок 5.

Калибровочные точки, использованные на Рисунке 5, были получены с помощью комбинаций последовательно включенных монитора, батареи, постоянных и переменных резисторов и цифрового мультиметра. Собственная шкала прибора была размечена в нужных точках, затем удалена и отсканирована. Это изображение служило шаблоном для окончательного варианта шкалы. Результаты моделирования были использованы при нанесении базовых точек для шкалы на Рисунке 6, и, несмотря на ужасную измерительную головку, они хорошо отражают реальность. Эти шкалы позволят вам сэкономить время, но не будут так точны, как те, которые вы сделаете самостоятельно с нуля. Кроме того, очевидно, что для разных измерительных приборов потребуются разные шкалы. В связи с тем, что разброс сопротивлений измерительных головок составляет ±20%, его потребуется скомпенсировать подбором сопротивления R1. Обе шкалы учитывают нелинейность измерительной головки.

Рисунок 6.

Заметьте, я назвал это устройство «монитор», а не «измеритель», так как последний термин, на мой взгляд, предполагает более высокий уровень точности. Тем не менее, теперь я использую его в большинстве своих разработок, и даже в производственном испытательном оборудовании, для выявления самых разных ошибок и проблем – от закороченных дорожек печатной платы до неправильно запрограммированных подтягивающих резисторов на выводах микроконтроллера.

Ссылки