Усилители датчиков тока для разных приложений

По мере возрастания автоматических систем управления с обратной связью всё большее применение в них находят датчики, способные с высокой точностью измерять токи. Примерами таких устройств могут служить регуляторы скорости вращения двигателей, яркости светодиодов и т.д. Для измерения тока последовательно с нагрузкой включается резистор, а специальный усилитель повышает падающее на нём напряжение и изолирует его от управляющей цепи. Новые усилители, специально приспособленные для решения этой задачи, находят широкое применение в различных областях — в устройствах связи, компьютерах, автомобилях и т.д.

Существуют два метода включения датчиков тока — в цепь земли и в высокопотенциальную цепь. В обоих случаях резистор с небольшим сопротивлением включается в токопроводящую цепь, а падение напряжения на нём, пропорциональное протекающему току, служит входным сигналом для усилителя. В первом случае датчик включается между нагрузкой и землёй, при высокопотенциальном методе — между положительным выводом источника питания и нагрузкой. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки.

Основным преимуществом низкопотенциального метода является то, что синфазный сигнал на входе усилителя мал и, следовательно, его напряжение питания тоже может быть небольшим. Однако при этом возникает несколько проблем, нивелирующих все преимущества этого метода. Первая состоит в том, что необходимо иметь только один провод заземления, чтобы через датчик проходил весь ток нагрузки. Если земляным проводом служит металлический корпус устройства, вставить в него токочувствительный резистор довольно сложно. Кроме того, земляной провод не является идеальным проводником, в различных его точках может быть разное напряжение, так что для точного измерения тока требуется дифференциальный усилитель. Однако, вероятно, самой серьёзной проблемой является то, что включение резистивного датчика тока в земляной провод означает наличие разницы потенциалов между землёй самого устройства и общим земляным проводником. Это может внести ошибки в работу системы и затрудняет связь между узлом, в котором измеряется ток, и остальной частью системы. Поскольку погрешность измерений определяется в данном случае напряжением на датчике, то это напряжение разработчик вынужден рассматривать как помехи (или шум) по цепи земли и стремиться его уменьшить. В результате типичное максимальное напряжение датчика VSense в 100 мВ превращается в 100 мВ шумов в измерительных цепях. Проблему с внесением шумов можно полностью исключить включением датчика в высокопотенциальную цепь — между «плюсом» источника питания и нагрузкой.

Этот подход, как уже говорилось ранее, называется высокопотенциальным методом. Он позволяет избежать проблем, связанных с низкопотенциальным включением, однако и у него есть свои недостатки. В этом случае также используется низкоомное сопротивление, разность потенциалов на выводах которого пропорциональна протекающему току. Однако при этом на обоих его выводах присутствует достаточно большой потенциал, равный напряжению источника питания и являющийся для усилителя датчика синфазным входным сигналом. Т.е усилитель должен правильно работать в условиях малого дифференциального и большого синфазного сигналов.

Для низковольтных систем принято использовать обычные инструментальные усилители, способные работать с сигналами «от питания до питания». Выход таких усилителей даст нужный сигнал, привязанный к земле, без существенной ошибки. Однако при больших напряжениях в измеряемой цепи, скорее всего, придётся преобразовывать сигналы с датчика в приемлемый для усилителя диапазон или организовывать «плавающее» питание для усилителя. Такие дополнительные схемы увеличивают стоимость и место, занимаемое датчиком на плате, но при этом правильная работа обеспечивается только тогда, когда синфазное напряжение остаётся в довольно узком, заранее известном, диапазоне. Однако в большинстве случаев полезно было бы обеспечить нечувствительность датчика к изменению синфазного напряжения. Например, если схема датчика тока останется работоспособной при падении выходного напряжения источника питания, это поможет определить, где возникла проблема — в нагрузке или в самом источнике питания. Возрастание тока в нагрузке указывает на возможную неисправность в ней, а падение напряжения на выходе источника питания при неизменном или падающем токе в нагрузке — на неисправность самого источника питания.

Множество устройств, ток в которых надо измерять, являются индуктивностями (например, двигатели или соленоиды), и изменение тока через них сопровождается появлением ЭДС самоиндукции, что вызывает существенные изменения синфазного напряжения на датчике тока. Очевидно, что для таких измерений следует использовать и соответствующий усилитель 1.

Простое решение

Усилители сигнала датчиков тока специально сконструированы так, чтобы облегчить решение этой проблемы. Они способны выделять малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного, усиливать его и преобразовывать в сигнал относительно земляного провода. На рисунке 1 показана типичная структура такого усилителя. В данном случае усилитель управляется напряжением на резисторе RIn, которое равно напряжению на датчике тока RSense. При этом ток через резистор RIn преобразуется в ток через резистор ROut, позволяя получить выходное напряжение, привязанное к земляному проводу. Для обеспечения достаточной точности преобразования используемый в этой схеме усилитель должен обладать высоким входным сопротивлением и большим усилением, а также большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала при широком диапазоне допустимых синфазных сигналов. Все эти характеристики оказывают серьёзное влияние на точность преобразования.

Рис. 1. Типичная схема включения высокопотенциального измерителя тока

В идеале измеритель тока или напряжения не должен оказывать влияния на нагрузку, к которой он подключён. Для измерителя напряжения это означает требование бесконечно большого входного сопротивления, чтобы не вызывать дополнительного тока в нагрузке. Соответственно, измеритель тока должен в идеале иметь нулевое входное сопротивление, чтобы не вызывать изменения напряжения на нагрузке.

Высокопотенциальный измеритель тока (т.е. комбинация резистора датчика и усилителя) обязан отвечать обоим требованиям: датчик тока должен иметь как можно меньшее сопротивление, а усилитель, преобразующий падение напряжения на нём — как можно большее. Чтобы лучше понять это, давайте рассмотрим, что произойдёт при использовании датчика тока с большим сопротивлением. По мере увеличения сопротивления датчика уменьшается приложенное к нагрузке напряжение, а соответствующее увеличение напряжения на датчике ведёт к увеличению его нагрева, что снижает надёжность системы.

Основной причиной для увеличения сопротивления датчика является увеличение выходного напряжения всей схемы, как показывает уравнение 1:

Vout = G RSENSE ISENSE, (1)

где произведение усиления G на сопротивление датчика представляет собой усиление преобразователя в целом. Следовательно, увеличение сопротивления датчика может потребоваться при использовании усилителя с фиксированным или ограниченным коэффициентом усиления. Фактически входной диапазон допустимых напряжений усилителя и максимальный ожидаемый ток в нагрузке и определяют максимальное значение сопротивления датчика:

. (2)

Например, если максимальный ток в нагрузке составляет 50 мА, а диапазон входных напряжений усилителя равен 250 мВ, то максимальное сопротивление датчика при этом равно 5 Ом. В идеале разработчик не должен увеличивать сопротивление датчика для компенсации недостаточного усиления. Если усилитель имеет достаточно большое усиление и хорошую точность, разработчик должен использовать минимально возможное сопротивление датчика тока, величина которого определяется необходимой разрешающей способностью и напряжением смещения усилителя:

. (3)

Например, если необходимая разрешающая способность составляет 1 мА, а напряжение смещения усилителя равно 1 мВ, то минимальное сопротивление датчика составляет 1 Ом. Уравнение (3) является самым важным, т.к. показывает прямую связь параметров датчика с характеристиками усилителя.

Характеристики современных ИС для высокопотенциальных датчиков тока

Современные ИС усилителей обеспечивают кардинальное улучшение параметров. Например, новая микросхема LTC6102 (см. рис. 2) производства Linear Technology выполнена с использованием технологии с нулевым дрейфом. В результате приведённый ко входу дрейф составляет всего 10 мкВ, а температурный коэффициент дрейфа не превышает 50 нВ/°C. Следовательно, с этой ИС можно использовать на порядки меньшие сопротивления датчиков тока, чем с ИС предыдущего поколения. В то же время максимально допустимое входное напряжение LT6102 составляет 2 В, что позволяет при низкой чувствительности нагрузки к высоким сопротивлениям датчиков тока увеличивать их значения. Такое сочетание большого допустимого входного напряжения с малым напряжением смещения даёт динамический диапазон входных напряжений в 106 дБ, позволяя измерять токи в несколько ампер с разрешающей способностью в микроамперы. Поскольку усиление ИС устанавливается внешним резистором, то можно использовать эту ИС для измерения очень малых токов, а при использовании прецизионных резисторов можно получить погрешность установки коэффициента усиления меньше 1%.

Рис. 2. Использование LT6102 как усилителя датчика тока

Улучшение этих характеристик не вызвало ухудшения других параметров. Например, входной ток смещения не превышает 300 пА, а максимальное синфазное напряжение составляет 105 В. При этом ослабление синфазного напряжения — не менее 130 дБ, что обеспечивает увеличение напряжения смещения всего на 32 мкВ при напряжении на датчике в 100 В. В то же время высокое быстродействие усилителя (время установления выходного сигнала составляет 1 мкс) позволяет использовать его для аварийного отключения при неисправностях в нагрузке или источнике питания.

Усилители для разных требований

Типовую схему включения можно с лёгкостью заменить другой, приспособленной под иные требования. Например, эту ИС можно с успехом использовать в полумостовых драйверах электродвигателей для измерения токов в плечах, что является, вероятно, самым эффективным способом измерения токов ключей и обнаружения неисправностей. Очень удобно для этого использовать сдвоенный усилитель LT6103, в котором имеются две прецизионные схемы высокопотенциальных усилителей для токовых датчиков.

В системах с автономным питанием ток в цепи батареи может течь в двух направлениях (при зарядке и разрядке). В этом случае целесообразно применить ИС LT6104, интересной особенностью которой является возможность использования различных сопротивлений в качестве датчиков тока разряда и заряда (хотя не возбраняется и применение в обоих случаях одного и того же датчика). Использование отдельных резисторов может потребоваться потому, что токи в режимах заряда и разряда могут существенно отличаться и применение резисторов с разным сопротивлением позволяет разработчику выбрать подходящую для каждого режима точность измерительной цепи.

В некоторых случаях желательно иметь возможность измерения тока в широком диапазоне потенциалов измерительной цепи, в том числе при нулевом потенциале на датчике. Это позволяет точно измерять токи даже при коротком замыкании в нагрузке. В этих условиях можно использовать микросхему LT6105. В тех случаях, когда аппаратура должна работать при высоких температурах, следует применить ИС LT6107, способную работать при температурах до 150°C.

Заключение

Усилители для высокопотенциальных датчиков тока позволяют получить множество преимуществ при построении контрольных и управляющих схем. Расширение использования, например, систем с батарейным питанием и систем управления двигателями существенно увеличило спрос на усилители с большим допустимым синфазным напряжением и повышенной точностью. Отвечая на эти запросы, LT6102 стала надёжной основой для построения схем с большой точностью измерений и широким диапазоном применения, а также основой для создания других микросхем для специфических приложений. В результате усилители высокопотенциальных датчиков тока соответствуют теперь лучшим образцам современных аналоговых ИС, став прекрасной альтернативой менее точным и более сложным в использовании схемам предыдущего поколения.

Дополнительную информацию о микросхемах Linear Technology см. в руководстве по применению, где представлены схемы для измерения тока (www.linear.com/currentsense).

1 Для переключаемой или коммутируемой нагрузки включение датчика между ключом и нагрузкой вызовет появление большой и, скорее всего, высокочастотной синфазной помехи. Даже у усилителей с очень высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала этот коэффициент существенно снижается при повышении частоты этого сигнала, приводя к довольно большой ошибке измерения. Чтобы избежать таких помех, резистор датчика следует включать там, где он не будет подвержен влиянию коммутационных помех.