Компенсация падения напряжения на измерительном сопротивлении при измерении малых токов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2011

Maciej Kokot, Польша

В большинстве случаев, для измерения тока вы преобразуете его в пропорциональное напряжение, а затем это напряжение измеряете. Используются два типичных метода такого преобразования, схемы которых показаны на Рисунке 1. Первый метод предполагает включение измерительного резистора R_P последовательно с цепью протекания тока, и использование дифференциального усилителя IC₁ для измерения результирующего падения напряжения (Рисунок 1а). Второй метод использует широко известный способ преобразования тока в напряжение, когда измеряемый ток из выхода инвертирующего ОУ IC₁ течет через резистор обратной связи (Рисунок 1б).

Рисунок 1.	В первом методе преобразования тока в пропорциональное напряжение вы включаете измерительный резистор RP последовательно с протекающим током и используете дифференциальный усилитель IC1 для измерения результирующего падения напряжения (а). Во втором методе вытекающий из выхода инвертирующего усилителя IC1 входной ток протекает через резистор обратной связи (б).

В первом варианте через входную и выходную клеммы протекает один и тот же ток, но на измерительном резисторе R_P падает значительное напряжение. Во втором варианте падение напряжения имеет порядок от десятков микровольт до милливольт, в зависимости от качества ОУ IC₁, однако измеряемый ток, втекая через входную клемму, не возвращается в схему. Такое решение может использоваться лишь для измерения токов, текущих в землю.

Схема, показанная на Рисунке 2, работает примерно так же, как схема на Рисунке 1б, в том смысле, что входной измеряемый ток вытекает из выхода ОУ. Однако выход второго ОУ возвращает ток в исследуемую цепь.

Рисунок 2.	Такой метод преобразования тока в напряжение позволяет сделать измеритель с нулевым падением напряжения.

Как видно из Рисунка 2, входной ток I через резистор R₁ течет на выход микросхемы IC₂, уменьшающий напряжение на величину IR₁ относительно входной клеммы. Это напряжение равно среднему значению выходных напряжений операционных усилителей, которые устанавливаются через инвертирующие входы усилителей, подключенные к средней точке резисторов R₃ и R₄. В результате, напряжение на выходе IC₁ должно увеличиться на величину IR₂ относительно инвертирующих входов и, находящегося под тем же потенциалом, неинвертирующего входа IC₂. Этот ток, вытекая из IC₁, возвращается в измеряемую цепь через R₂. Если R₁ = R₂, выходной ток будет равен входному. Поскольку выходы ОУ поддерживают одинаковые напряжения на своих входах, для измеряемой цепи сопротивление измерителя, фактически, будет нулевым.

У схемы на Рисунке 2 нет недостатков, присущих схемам на Рисунке 1. Ток, текущий в первую клемму, вытекает из второй, и падение напряжения, практически, равно нулю. В худшем случае, оно равно удвоенному напряжению смещения усилителей. Такую схему можно использовать для измерений в любых цепях, не оказывая никакого влияния на распределение в них токов и напряжений.