РадиоЛоцман - Все об электронике

Точное измерение тока нагрузки со стороны «земли»

Texas Instruments INA185 INA199 INA210 INA225 INA226 INA231

В большинстве электронных устройств измерение силы тока производится путем измерения падения напряжения на токоизмерительном резисторе. В цепи нагрузки есть два участка, в которые обычно добавляются такие резисторы. В первом варианте токоизмерительный резистор находится между шиной питания и нагрузкой. Этот метод называют измерением в цепи питания (нагрузки). Во втором случае токоизмерительный резистор находится между нагрузкой и шиной «земли». Этот метод называют измерением в цепи общего провода. Оба метода измерения силы тока в нагрузке показаны на Рисунке 1.

Вебинар «Необычное в обычном. Сравнительный анализ современных решений Recom» (27.01.2022)

Методы измерения силы тока.
Рисунок 1. Методы измерения силы тока.

У каждого из этих методов есть свои достоинства и недостатки. Одним из достоинств измерения со стороны «земли» является величина синфазного напряжения (или, что то же, среднего значения напряжения) на выводах токоизмерительного резистора, близкая к нулю. Это облегчает проектирование практических схем или выбор устройств, получающих сигнал с резистора. Поскольку один из выводов резистора здесь «заземлен», этот метод измерения тока предпочтителен при очень высоких напряжениях или в тех устройствах, где напряжение питания может быть подвержено всплескам или выбросам. Невосприимчивость к высоковольтным выбросам напряжения и способность контролировать ток в высоковольтных системах делают метод измерения со стороны «земли» распространенным во многих автомобильных, промышленных и телекоммуникационных приложениях. Основным недостатком этого метода является то, что сигнал с токоизмерительного резистора является разностью потенциалов между «землей» источника питания и «землей» нагрузки (системы). Это может быть проблемой, если к «земле» источника питания подключены другие схемы. Решением является соединение всех цепей нагрузки с одной общей «землей». Выбор минимально достаточного сопротивления токоизмерительного резистора делает разность потенциалов «земель» наименьшей.

Измерение со стороны «земли» – самый простой метод с точки зрения проектирования схем или выбора устройств, получающих сигнал с токоизмерительного резистора. Благодаря низкому синфазному напряжению здесь можно использовать схему дифференциального усилителя. На Рисунке 2 показана классическая схема дифференциального усилителя на основе операционного усилителя (ОУ).

Схема на ОУ для измерения силы тока.
Рисунок 2. Схема на ОУ для измерения силы тока.

При использовании ОУ в схеме измерения тока его характеристики должны удовлетворять нескольким условиям, чтобы обеспечить правильную работу схемы. Во-первых, в случае однополярного питания ОУ диапазон его допустимых входных синфазных напряжений должен включать 0 В. Поскольку дифференциальный усилитель обычно усиливает разность потенциалов на своих входах, диапазоны входных и выходных напряжений ОУ должны достигать напряжений шин питания, что необходимо для правильной передачи сигнала на выход. По этим причинам ОУ с rail-to-rail входами и выходами, как правило, предпочтительнее для измерения токов. Из-за того, что параметры ОУ в конфигурации дифференциального усилителя в документации на микросхему не нормируются, трудно сказать, какие характеристики можно получить в реальном приложении. Такие параметры ОУ, как скорость нарастания выходного напряжения, полоса пропускания, входной ток, подавление синфазного сигнала и дрейф, ухудшаются при добавлении в цепь обратной связи резисторов, необходимых для создания схемы измерения тока. Степень ухудшения параметров зависит от величины коэффициента усиления дифференциального усилителя и сопротивлений резисторов в его цепях обратной связи. В показанной на Рисунке 2 схеме отношения сопротивлений R1 и R2 и их допуски идентичны. Это необходимо учитывать при реализации схемы на дискретных компонентах, поскольку разброс параметров этих компонентов напрямую влияет на погрешность коэффициента усиления схемы.

Еще одним фактором, который следует учитывать при реализации токоизмерительного усилителя на дискретных компонентах, является компоновка печатной платы. Резисторы R1 и R2 необходимо размещать как можно ближе к ОУ и токоизмерительному резистору. При размещении этих компонентов рядом с ОУ снижается вероятность наводки помех на его неинвертирующий вход. Поскольку многие токоизмерительные усилители находятся возле DC/DC преобразователей, необходимо тщательно продумывать размещение всей токоизмерительной схемы, чтобы избежать влияния создаваемых преобразователем помех. На Рисунке 2 показано выражение для расчета коэффициента усиления дифференциального усилителя. Однако любое увеличение или уменьшение коэффициента усиления влияет на устойчивость схемы и полосу пропускания. Устойчивость ОУ требует особого внимания в тех приложениях, где присутствует емкостная нагрузка, чтобы избежать возбуждения или чрезмерного «звона» выходного сигнала.

На Рисунке 3 показана схема с интегральным токоизмерительным усилителем, который является эффективным способом устранения недостатков схем на дискретных компонентах.

Измерение со стороны «земли» с помощью INA199.
Рисунок 3. Измерение со стороны «земли» с помощью INA199.

Токоизмерительный усилитель содержит на кристалле резисторы цепей обратной связи, решая этим многие проблемы компоновки платы, присущие дискретной схеме. Внутренние резисторы подвергаются подгонке для уменьшения разброса сопротивлений, что улучшает характеристики погрешности коэффициента усиления. Эти усилители предварительно сконфигурированы для удовлетворения различных требований к коэффициенту усиления. Например, усилитель INA199 доступен с коэффициентами усиления 50, 100 и 200 В/В. Полоса пропускания и устойчивость при емкостной нагрузке оптимизированы для каждого предустановленного коэффициента усиления при максимальной емкости нагрузки, указанной в техническом описании. Интеграция резисторов обратной связи снижает восприимчивость к помехам, позволяет сократить площадь печатной платы и упростить ее разводку. Размещение этих резисторов на кристалле усилителя не обязательно означает увеличение размеров его корпуса. Так, INA199 доступен как в выводном корпусе SC70-6 размером 2 × 1.25 мм, так и в корпусе UQFN размером 1.4 × 1.8 мм.

INA199 обеспечивает точность измерения тока выше той, которую можно достичь при использовании недорогих дискретных схем на ОУ. Микросхема имеет максимальную погрешность усиления 1.5% в диапазоне температур от –40 °C до 105 °C. Напряжение смещение нуля INA199 составляет менее 150 мкВ, а температурный дрейф – менее 0.5 мкВ/°C.

INA199 также имеет вход опорного напряжения REF. Напряжение, подаваемое на вход REF, добавляется к выходному напряжению микросхемы. Это удобно в тех случаях, когда следующим за этой микросхемой устройствам необходим сигнал, сдвинутый по уровню.

Рекомендации по выбору других усилителей

Для схем измерения тока с повышенными требованиями к точности и компактности подходит усилитель INA185 в миниатюрном корпусе SOT-563, обеспечивающий погрешность коэффициента усиления 0.2%. Семейство микросхем INA210-215, предназначенное для высококачественных приложений, обеспечивает низкое напряжение смещения (максимум 35 мкВ) и малую погрешность коэффициента усиления (не более 1%). Если необходим высокоточный монитор тока с цифровым интерфейсом, можно выбрать INA226 с максимальном смещением нуля 10 мкВ и погрешностью коэффициента усиления 0.1%. Для портативных или других устройств с ограниченным объемом предлагается усилитель INA231 в крошечном корпусе размером 1.68 × 1.43 мм. Если требуется монитор тока с выходом по напряжению и коэффициентом усиления, задаваемым цифровым кодом на выводах микросхемы – используйте INA225.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments INA185
  2. Datasheet Texas Instruments INA199
  3. Datasheet Texas Instruments INA210
  4. Datasheet Texas Instruments INA225
  5. Datasheet Texas Instruments INA226
  6. Datasheet Texas Instruments INA231

Texas Instruments

Перевод: Вишняков Кирилл по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Precision, Low-Side Current Measurement

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Усилители считывания тока 26V, 350kHz, bi-directional, high-precision current sense amplifier in ultra small (sot-563) package 6-SOT-5X3 -40 to 125
INA185A4IDRLR
Texas Instruments
от 102 ₽
DM Electronics
Россия
INA185A3IDRLR
Texas Instruments
5 753 ₽
INA185EVM
Texas Instruments
по запросу
ADIN2111 — простой в использовании двухпортовый Ethernet 10BASE-T1L коммутатор от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя