Precyzyjny bipolarny czujnik prądu

Forum Czytelników
Precyzyjny bipolarny czujnik prądu
Układ umożliwia pomiar wartości prą−
du w sytuacji, gdy pomiędzy obwo−
dem, z którego jest zasilany układ po−
miarowy, a obwodem, w którym jest
dokonywany pomiar prądu, występuje
napięcie o znacznej wartości. Sytua−
cja taka zdarza się w bardzo wielu za−
stosowaniach, jako przykład może
chociażby służyć zasilacz laboratoryj−
ny. Obwody pomiarowe są często zasi−
lane pojedynczym napięciem +5V, na−
tomiast pobór prądu przez zewnętrzne
układy jest mierzony w obwodach,
w których może występować kilka−
dziesiąt woltów, przy czym w obwo−
dach tych może występować zarówno
dodatnie, jak i ujemne napięcie wzglę−
dem masy układu pomiarowego. Pre−
zentowany układ umożliwia dokona−
nie precyzyjnego pomiaru w takich sy−
tuacjach, a dzięki dużej wartości tłu−
mienia sygnału wspólnego, układ ten
jest odporny na zakłócenia. Umożli−
wia to niezawodny pomiar również
w przypadku znaczngo oddalenia od
miejsca pomiaru. Szerokie pasmo pra−
cy układu daje możliwość pomiaru
prądu zmiennego dostarczanego do
obciążenia (np. głośnika).
Innym zastosowaniem prezentowa−
nego układu może być precyzyjna son−
da umożliwiająca obserwację prądu
pobieranego przez obciążenie. Zasto−
sowanie odpowidniego rezystora
pozwala na dostosowanie układu do
wymagań i potrzeb danej aplikacji.
Przyrząd ten charakteryzuje się nie−
wielkimi wymiarami, szerokim zakre−
sem napięć zasilających oraz niskim
poborem mocy. Te, jak i pozostałe pa−
rametry, umożliwiają bezproblemowe
wbudowanie do istniejących, jak rów−
nież nowo budowanych urządzeń.
Opis układu
W prezentowanym układzie do pomaru warto−
ści prądu pobieranego przez obciążenie wyko−
rzystana została jedna z najpopularniejszych
metod, a mianowicie kontrola spadku napięcia
58
na rezystorze włączonym szeregowo ze źródłem
zasilania. Rozwiązanie to jest powszechnie
wykorzystywane dzięki niewielkiej komplika−
cji układu współpracującego. Jak wiadomo,
na rezystorze − czujniku prądu, zgodnie
z prawem Ohma, występuje spadek napię−
cia równy U=I∆ R. Ponieważ wartość R jest
stała, niezależnie od przyłożonego napięcia,
tak więc spadek napięcia na tym rezystorze
jest wprost proporcjonalny do przepływają−
cego przezeń prądu. W przypadku, gdy mię−
dzy układem dokonującym pomiaru a rezy−
storem − czujnikiem prądu występuje nie−
wielkie napięcie lub gdy układ pomiarowy
„pływa” na potencjale obciążenia, pomiar
ten jest sprawą trywialną. Prawdziwy pro−
blem pojawia się wtedy, gdy musimy zmie−
rzyć spadek napięcia w obwodzie,
w którym występuje napięcie o wartości
znacznie wykraczającej poza napięcie zasila−
nia obwodu pomiarowego. W tym przypadku
z pomocą przychodzi wykorzystanie wzmac−
niacza różnicowego o dużej dopuszczalnej
wartości napięcia wspólnego. Wzmacniacz ta−
ki można wykonać z wykorzystaniem wzmac−
niacza operacyjnego. W tym przypadku zacho−
dzi jednak konieczność precyzyjnego dobrania
czterech rezystorów. Dokładność ich dopaso−
wania jest szczególnie istotna w sytuacji, gdy
napięcie w obwodzie, w którym mierzymy
wartość prądu, może się zmieniać w szerokich
granicach (np. w zasilaczu laboratoryjnym,
gdzie zakres napięcia wyjściowego często
osiąga lub przekracza 30V). W takim przypad−
ku, przy niedokładnym dopasowaniu wartości
rezystorów, zmiana napięcia wyjściowego
układu będzie powodowała również zmianę
wartości wskazywanego prądu. W przedsta−
wionym na rysunku 1 układzie problem dopa−
sowania rezystorów rozwiązano poprzez za−
stosowanie precyzyjnego wzmacniacza różni−
cowego typu AD629 firmy Analog Devices,
który jest zdolny do pracy przy napięciu
wspólnym (tzn. pojawiającym się jednocześnie
na obu jego wejściach), osiągającym ±270V.
Układ ten jest również w stanie przetrwać
przepięcia napięcia różnicowego, jak i wspól−
nego o wartości ±500V. Zakres napięć zasila−
nia tego układu wynosi od ±2,5V do ±18V. Na
Wrzesień 2002
rysunku 2 przedstawiono dopuszczalny za−
kres napięcia wspólnego w funkcji napięcia
zasilania.
Rys.1 Schemat ideowy
Rys.2 Dopuszczalne wspólne napięcie
wejściowe (CMRR) w funkcji na−
pięcia zasilania.
Zastosowanie we wzmacniaczu wewnętrz−
nych rezystorów pozwoliło na osiągnięcie du−
żego współczynnika tłumienia sygnału wspól−
nego (CMRR − Common Mode Rejection
Ratio) osiągającego, zależnie od wersji, 77
lub 86 dB (są to wartości minimalne).
Na rysunku 3 przedstawiona jest zależ−
ność (typowa) tego współczynnika od często−
tliwości. Jako rezystor pełniący funkcję czuj−
nika prądu zastosowany został element prze−
znaczony specjalnie do precyzyjnych pomia−
rów prądu, wyposażony w wyprowadzenia
w konfiguracji Kelvina. Rezystor ten posiada
cztery wyprowadzenia, przez dwa z nich
przepływa prąd, wartość którego chcemy
Elektronika dla Wszystkich
Forum Czytelników
zmierzyć, natomiast pozostałe dwa służą do
pomiaru spadku napięcia na tym rezystorze.
Wyprowadzenia te są wewnętrznie dołączone
w taki sposób, aby weliminować spadek na−
pięcia na rezystancji wyprowadzeń, przez
które przepływa prąd o dużej wartości. Jum−
per SJ1 umożliwia pracę układu zarówno
przy pojedynczym, jak również bipolarnym
napięciu zasilania. Przy pracy z bipolarnym
napięciem zasiania, powinien zostać on
zwarty do masy (zamiast tego można wypro−
wadzenia ref dołączyć do masy w punkcie
dołączenia do miernika), natomiast przy po−
jedynczym napięciu zasilania powinien po−
zostać rozwarty, a do wyprowadzeń ref nale−
ży dostarczyć napięcie o dobranej wartości.
Przy pracy z pojedynczym napięciem za−
silania należy również dołączyć wyprowa−
dzenie −Vs do masy oraz nie montować kon−
densatorów C3, C4. Pozostałe elementy to
kondensatory odsprzęgające zasilanie.
wać rezystor R1 tak, aby zapewnić dobre
warunki odprowadzania ciepła, oraz odsunąć
go w miarę możliwości od pozostałych ele−
mentów, zwłaszcza kondensatorów elektroli−
tycznych. Teraz należy wlutować układ IC1.
Po dokładnym sprawdzeniu poprawności
montażu można do układu dołączyć zasila−
nie, natomiast do wyjścia, pomiędzy koń−
cówki ref i output, woltomierz lub oscylo−
skop. Układ ten nie wymaga uruchamiania
ani regulacji.
Montaż i uruchomienie
Rys.3 Współczynnik tłumienia sygna−
łu wspólnego w funkcji często−
tliwości.
Elektronika dla Wszystkich
Prezentowany układ można zmontować na
płytce uniwersalnej. Montaż należy rozpo−
cząć od zwarcia kroplą cyny jumpera SJ1,
wlutowując następnie dwa kondensatory
SMD, umieszczone pod układem IC1, na−
stępnie wlutować kondensatory elektroli−
tyczne (zalecałbym tantalowe, mające
znacznie lepsze parametry), ewentualną pod−
stawkę pod IC1 (lepiej układ ten wlutować
bezpośrednio w płytkę, jeżeli jednak ko−
niecznie ktoś chce zastosować podstawkę, to
powinna to być podstawka precyzyjna, po−
nieważ układ przetwarza sygnały o niewiel−
kiej amplitudzie). Następnie należy wluto−
Wrzesień 2002
Piotr Czarkowski
Wykaz elementów
Rezystory
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,05 Ω/1W/4PIN
R2,R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k Ω SMD
Kondensatory
C1,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/16V
C2,C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF
Półprzewodniki
IC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .AD629AN
59