Монитор токового шунта в положительном полюсе нагрузки уменьшает ошибку

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2020

Схема на Рисунке 1 является альтернативой монитору токового шунта, описанному в предыдущей статье [1]. В той схеме использовалась микросхема AD8212 компании Analog Devices с внешним высоковольтным биполярным PNP транзистором. AD8212 может компенсировать ошибки, уменьшая их примерно до –0.4% против значения порядка –1% в некомпенсированной схеме.

Рисунок 1.	Схема воспринимает ток, идущий через резистор нагрузки RL в положительном полюсе нагрузки, и передает его непосредственно в низковольтную цепь с помощью тока IF цепи обратной связи, значение которого в верхней точке диапазона измерений составляет 500 мкА.

Ошибки схемы возникают в основном из-за конечных коэффициентов усиления тока двух биполярных PNP транзисторов: внешнего транзистора и внутреннего низковольтного транзистора микросхемы AD8212. Переход база-эмиттер внутреннего PNP транзистора замыкает петлю обратной связи операционного усилителя микросхемы AD8212. Оба PNP транзистора образуют каскад из двух транзисторов, работающих в режиме с общей базой. В идеальном случае эмиттерный ток внутреннего PNP транзистора, который пропорционален измеряемому току, должен быть равен току коллектора внешнего PNP транзистора. Этот коллекторный ток несет в себе информацию об измеренном токе. Однако на практике ток коллектора внешнего PNP транзистора равен току эмиттера внутреннего PNP транзистора за вычетом суммы базовых токов обоих PNP транзисторов.

Ток базы также является источником ошибок этой схемы. По сравнению с вариантом из [1], предлагаемая схема уменьшает нежелательный базовый ток PNP Дарлингтона в β_PNP раз. Если в предыдущей схеме β_PNP – это коэффициент передачи тока одного PNP транзистора, то в схеме на Рисунке 1 β_PNP соответствует коэффициенту передачи двух внешних транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона. Разница между токами эмиттера и коллектора пары Дарлингтона настолько незначительна, что цепь компенсации и связанный с ней внутренний PNP транзистор из схемы можно исключить. Это значит, что можно интегрировать два резистора 1 кОм и стабилитрон в монолитную микросхему, которая будет проще, чем AD8212.

В схеме на Рисунке 1 используется операционный усилитель AD8603 компании Analog Devices, имеющий входное напряжение смещения 40 мкВ. При входном напряжении, близком к напряжению верхней шины питания, смещение увеличивается, но остается меньше 200 мкВ. Однако даже в худшем случае входное напряжения смещения может привести к аддитивной ошибке лишь 0.04% от полной шкалы, поскольку вся шкала составляет 500 мВ. При повышении температуры до 125 °C субпикоамперный ток смещения IC₁ возрастает примерно до 320 пА, но этого увеличения все рано недостаточно для того, чтобы повлиять на точность схемы. То же самое верно также и для тока утечки схемы Дарлингтона, поскольку токи утечки, протекающие через эмиттер и коллектор Q₂, имеют почти одинаковые значения. Ток утечки I_CE0 становится частью тока обратной связи, протекающего через резистор R_F.

При увеличении I_CE0 выходное напряжение операционного усилителя становится немного более положительным. Ток обратной связи I_F, протекающий через резистор R_F, по-прежнему остается постоянным. Единственное условие: минимальный ток обратной связи должен быть больше, чем максимальный ток утечки. Выбранный PNP транзистор позволяет использовать схему при напряжении V+ до 30 В. Транзистору MMBT3906 (Q₁) предпочтение отдано в связи с низким спадом коэффициента передачи тока при малых токах эмиттера. При токе 100 мкА он падает всего до 75% от максимального значения 130. В качестве Q₂ выбран транзистор MMBT4403.

Для приложений, требующих более высоких значений напряжения V+, выберите PNP транзисторы с подходящим допустимым напряжением коллектор-эмиттер и увеличьте сопротивление резистора R_B в соответствии с формулой

Z_D – это стабилитрон с напряжением стабилизации приблизительно 4.7 В при токе порядка 500 мкА. Испытание показывает, что относительная разница между токами эмиттера и коллектора пары Дарлингтона в верхней точке шкалы не превышает 0.06%. В начале шкалы, при токе в 100 раз меньшем максимального, относительная ошибка возрастает до 1.77%, указывая на то, что значение общего коэффициента передачи тока пары Дарлингтона падает примерно до 56. Уменьшение ошибки измерений позволяет снизить напряжение полной шкалы на резисторе шунта R_SH до 250 мВ, на 50% снизить мощность, рассеиваемую на R_SH, и поддерживать погрешность на уровне 0.15%.

Ссылки

Материалы по теме