Эта конструкция родилась оттого, что в свое время я не имел доступа к тем замечательным современным микросхемам, которые были специально разработаны для считывания напряжения с токовых датчиков. Мне необходимо было создать аналог такой микросхемы, максимально простой, но не менее точный. По-моему, получившаяся схема вполне справляется со своей задачей.

Автомобильный датчик тока положительной шины питания на дискретных компонентах.

Первый усилитель тока на транзисторе Q2 имеет усиление 6.2 (Рисунок 1). На Q1 собран усилитель термокомпенсации, управляемый микросхемой IС1В и поддерживающий напряжение коллектора Q1 на постоянном уровне, независимо от температуры схемы. В качестве опорного напряжения схемы используется напряжение источника питания системы 5 В. Указанные на схеме напряжения были измерены в реальном устройстве.

Рисунок 1. Q1 и Q2 преобразуют падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 в синфазное напряжение, согласованное со входными уровнями АЦП микроконтроллеров.

IС1А усиливает разность напряжений на коллекторах транзисторов Q1 и Q2. Коэффициент усиления ОУ этого равен 4.9. R3 образован двумя резисторами для поверхностного монтажа, установленными друг на друга. При выходном напряжении 5 В максимальный ток, измеряемый схемой, равен 25 А.

Два стабилитрона защищают схему от бросков напряжения бортовой сети автомобиля. Как известно, пики напряжения в ней могут достигать 90 В. Если схема спровоцировала вас на критические замечания, подберите номиналы R6 и R7 с минимальным разбросом. Если и это сочтете недостаточным, согласуйте R1 и R4.

Я ничего такого не делал, но работа схемы меня вполне удовлетворяет. В конструкции использованы резисторы для поверхностного монтажа. За исключением R3, все имеют типоразмер 0805 и допуск 1 %.

Не забудьте подобрать для вашей печатной платы стеклотекстолит с фольгой достаточной толщины и сделать широкую токопроводящую дорожку, а для R3 предусмотреть двухпроводное подключение по схеме Кельвина. При максимальном токе 25 А эта схема нагревается очень незначительно.

Один из самых простых способов измерения тока в электрической цепи - это измерение падения напряжения на резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. Но при прохождении тока через этот резистор, на нем выделяется бесполезная мощность в виде тепла, поэтому оно выбирается минимально возможной величины, что в свою очередь влечет за собой последующее усиление сигнала. Следует отметить, что приведенные ниже схемы позволяют контролировать не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с соответствующими искажениями, определяемыми полосой пропускания усилительных элементов.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки.

Схема измерения тока нагрузки в отрицательном полюсе приведена на рисунке 1.

Эта схема и часть информации заимствована из журнала «Компоненты и технологии» №10 за 2006г. Михаил Пушкарев [email protected]
Преимущества:
низкое входное синфазное напряжение;
входной и выходной сигнал имеют общую «землю»;
простота реализации с одним источником питания.
Недостатки:
нагрузка не имеет непосредственной связи с «землей»;
отсутствует возможность коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе;
возможность выхода из строя измерительной схемы при коротком замыкании в нагрузке.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки не представляет сложности. Для этой цели подходит много ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием. Схема измерения тока с применением операционного уси¬лителя приведена на рис. 1. Выбор конкретного типа усилителя определяется требуемой точностью, на которую в основном влияет смещение нуля усилителя, его температурный дрейф и погрешность установки усиления, и необходимым быстродействием схемы. В начале шкалы неизбежна значительная погрешность преобразования, вызванная ненулевым значением минимального выходного напряжения усилителя, что для большинства практических применений несущественно. Для исключения этого недостатка требуется двухполярное питание усилителя.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Достоинства:
нагрузка заземлена;
обнаруживается короткое замыкание в нагрузке.
Недостатки:
высокое синфазное входное напряжение (зачастую очень высокое);
необходимость смещения выходного сигнала до уровня, приемлемого для последующей обработки в системе (привязка к «земле»).
Рассмотрим схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки с использованием операционных усилителей.

В схеме на рис. 2 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания операционный усилитель, предназначенный для работы с однополярным питанием и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим напряжения питания, например AD8603. Максимальное напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя.

Но есть ОУ, которые способны работать при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 3, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В. Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с весьма малой погрешностью подходят такие инструментальные усилители, как LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments. Для измерения тока в положительном полюсе есть и специализированные микросхемы, например — INA138 и INA168.

INA138 и INA168

— высоковольтные, униполярные мониторы тока. Широкий диапазон входных напряжений, низкий потребляемый ток и малые габариты — SOT23, позволяют использовать эту микросхему во многих схемах. Напряжение источника питания от 2.7 В до 36 В для INA138 и от 2.7 В до 60 В для INA168. Входной ток — не более 25мкA, что позволяет производить измерение падения напряжения на шунте с минимальной ошибкой. Микросхемы являются преобразователями ток — напряжение с коэффициентом преобразования от1 до 100 и более. INA138 и INA168 в корпусах SOT23-5 имеют диапазон рабочих температур -40°C к +125°C.
Типовая схема включения взята из документации на эти микросхемы и показана на рисунке 4.

OPA454

— новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления.

Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.
Технические особенности OPA454:
Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
(предельно до 120 В)
Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)
Данные на микросхему приведены в «Новости электроники» №7 за 2008г. Сергей Пичугин

Усилитель сигнала токового шунта на основной шине питания.

В радиолюбительской практике для схем, параметры которых не столь жесткие, подойдут дешевые сдвоенные ОУ LM358, допускающие работу с входными напряжениями до 32В. На рисунке 5 показана одна из многих типовых схем включения микросхемы LM358 в качестве монитора тока нагрузки. Кстати не во всех «даташитах» имеются схемы ее включения. По всей вероятности эта схема явилась прототипом схемы, приведенной в журнале «Радио» И. Нечаевым и о которой я упоминал в статье «Индикатор предельного тока ».
Приведенные схемы очень удобно применять в самодельных БП для контроля, телеметрии и измерения тока нагрузки, для построения схем защиты от коротких замыканий. Датчик тока в этих схемах может иметь очень маленькое сопротивление и отпадает необходимость подгонки этого резистора, как это делается в случае обычного амперметра. Например, напряжение на резисторе R3, в схеме на рисунке 5 равно: Vo = R3∙R1∙IL / R2 т.е. Vo = 1000∙0,1∙1A / 100 = 1В. Одному амперу тока, протекающему через датчик, соответствует один вольт падения напряжения на резисторе R3. Величина этого соотношения зависит от величины всех резисторов входящих в схему преобразователя. Отсюда следует, что сделав резистор R2 подстроечным, можно спокойно им компенсировать разброс сопротивления резистора R1. Это относится и к схемам, показанным на рисунках 2 и 3. В схеме, представленной на рис. 4, можно изменять сопротивление нагрузочного резистора RL. Для уменьшения провала выходного напряжения блока питания, сопротивление датчика тока – резистор R1 в схеме на рис.5 вообще лучше взять равным 0,01 Ом, изменив при этом номинал резистора R2 на 10 Ом или увеличив номинал резистора R3 до 10кОм.

Измерительный преобразователь тока – это устройство, которое может заменить используемые сегодня трансформаторы тока и шунты. Применяется для контроля и измерения, и является прекрасным инженерным решением. Исполнение прибора выполнено согласно современным методам технической реализации оборудования и способам обеспечения универсальности, удобства и безотказности системы. Именно поэтому измерительные преобразователи, разработанные российским производителем, с каждым годом пользуются большим спросом. Диапазон возможных модификаций радует потребителей, так как это позволяет выбрать наиболее подходящее решение и при этом не переплачивать.

Что особенного в измерительных преобразователях тока?

Главной особенностью измерительного преобразователя тока является его универсальность. На вход прибора может быть подан и постоянный ток, и импульсный, и переменный. Для того чтобы такая универсальность стала возможной, производители разработали прибор на базе принципа Холла. В преобразователе реализована небольшая схема, выполненная на полупроводниках. С его помощью определяется величина и направление магнитного поля тока, поданного на вход устройства. Таким образом, преобразователь тока на эффекте Холла является уникальным прибором с высокой работоспособностью и функциональностью.

Выполнен прибор в виде корпуса с отверстием, через которое пропускается токоведущий проводник. Питание электронной схемы преобразователя осуществляется от электросети с напряжением постоянного тока равным 15-ти вольтам. На выходе устройства появляется ток, который изменяется по значению, направлению и времени прямо пропорционально току на входе. При этом измерительный преобразователь тока, основанный на эффекте Холла, может выполняться не только с отверстием для вывода токоведущих проводников, но и виде прибора, предназначенного для установки в разрыв цепи.

Конструктивные особенности измерительных преобразователей тока

Измерительный преобразователь тока бесконтактный выполнен с гальванической развязкой между цепью контроля и силовой цепью. Состоит преобразователь из магнитопровода, компенсационной обмотки и прибора Холла. При протекании тока по шинам в магнитопроводе наводится индукция, при этом прибор Холла вырабатывает напряжение, которое изменяется так, как изменяется наведённая индукция. Выходной сигнал подаётся на вход электронного усилителя, а потом поступает на компенсационную обмотку. В итоге, по компенсационной обмотке течёт ток, который прямо пропорционален току на входе, при этом полностью повторяется форма первичного тока. По сути, это преобразователь тока и напряжения.

Бесконтактный преобразователь для измерения переменного тока

Чаще всего потребители приобретают датчики тока и напряжения для трёхфазных электросетей переменного тока. Поэтому производители специально разработали измерительные преобразователи ПИТ-___-Т с более простой электроникой и, соответственно, низкой ценой. Работа приборов может проходить при разных температурах, в диапазоне частоты от 20 до 10кГц. При этом для потребителей предусмотрена возможность выбора типа выходного сигнала с преобразователя – напряжение или ток. Бесконтактные измерительные преобразователи тока производятся для установки на круглую или плоскую шину. Это существенно расширяет область применения данного оборудования и делает актуальным его при реконструкциях подстанций разных мощностей.

Для того чтобы успешно автоматизировать различные технологические процессы, эффективно управлять приборами, устройствами, машинами и механизмами, нужно постоянно измерять и контролировать множество параметров и физических величин. Поэтому неотъемлемой частью автоматических систем стали датчики, обеспечивающие получение информации о состоянии контролируемых устройств.

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов. С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы. Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Классификация датчиков

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

Среди последних чаще всего встречаются:

• Датчики постоянного тока
• Датчики амплитуды переменного тока
• Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Принцип действия

По принципу работы все датчики разделяются на два основных вида. Они могут быть генераторными - непосредственно преобразующими входные величины в электрический сигнал. К параметрическим датчикам относятся устройства, преобразующие входные величины в измененные электрические параметры самого датчика. Кроме того, они могут быть реостатными, омическими, фотоэлектрическими или оптико-электронными, емкостными, индуктивными и т.д.

К работе всех датчиков предъявляются определенные требования. В каждом устройстве входная и выходная величина должны находиться в непосредственной зависимости между собой. Все характеристики должны быть стабильными во времени. Как правило эти приборы отличаются высокой чувствительностью, небольшими размерами и массой. Они могут работать в самых разных условиях и устанавливаться различными способами.

Современные датчики тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях. В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов. Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Основные виды датчиков тока:

Датчики прямого усиления (O/L) . Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи. Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip . Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре. Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta) . Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки. Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление. Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока компенсационные (C/L) . Отличаются широким диапазоном частот, высокой точностью и малым временем задержки. У приборов этого типа отсутствуют потери первичного сигнала, у них отличные характеристики линейности и низкий температурный дрейф. Компенсация магнитного поля, создаваемого первичным током Ip , происходит за счет такого же поля, образующегося во вторичной обмотке. Генерация вторичного компенсирующего тока осуществляется элементом Холла и электроникой самого датчика. В конечном итоге, вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Датчики тока компенсационные (тип С) . Несомненными достоинствами этих приборов является широкий диапазон частот, высокая точность информации, отличная линейность и сниженный температурный дрейф. Кроме того, данные приборы могут измерять дифференциальные токи (CD). Они обладают высокими уровнями изоляции и пониженным влиянием на первичный сигнал. Конструкция состоит из двух тороидальных магнитопроводов и двух вторичных обмоток. В основе работы датчиков лежит компенсация ампер-витков. Ток с небольшим значением из первичной цепи проходит через первичный резистор и первичную обмотку.

Датчики тока PRIME . Для преобразования переменного тока используется широкий динамический диапазон. Прибор отличается хорошей линейностью, незначительными температурными потерями и отсутствием магнитного насыщения. Преимуществом конструкции являются небольшие габариты и вес, высокая устойчивость к различным видам перегрузок. Точность показаний не зависит от того как в отверстии расположен кабель и не подвержена влиянию внешних полей. В этом датчике используется не традиционная разомкнутая катушка, а измерительная головка с сенсорными печатными платами. Каждая плата состоит из двух раздельных катушек с воздушными сердечниками. Все они смонтированы на единую базовую печатную плату. Из сенсорных плат формируются два концентрических контура, на выходах которых суммируется наведенное напряжение. В результате, получается информация о параметрах амплитуды и фазы измеряемого тока.

Датчики тока (тип IT) . Характеризуются высокой точностью показаний, широким частотным диапазоном, низким шумом выходного сигнала, высокой стабильностью температуры и низким перекрестным искажением. В конструкции этих датчиков отсутствуют элементы Холла. Первичный ток создает магнитное поле, которое в дальнейшем компенсируется вторичным током. На выходе вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

На каждый датчик имеется техническая документация, где отражается вся необходимая информация, позволяющая произвести предварительные расчеты и определить место наиболее оптимального использования.

в практике измерения тока существует стандартный приём - включить последовательно в испытываемую цепь низкоомный резистор и замерить на нём падение напряжения. Если разделить напряжение (б^изм) сопротивление (/?изм)’ ^^ по закону Ома получится искомый ток (/изм)- Резистор должен быть низкоомным и высокоточным, чтобы не вносить дополнительные потери мощности в нагрузке и не ухудшать инструментальную погрешность измерений.

Математические расчёты формулы тока можно поручить МК. В его программе будет фигурировать напряжение, измеренное на образцовом резисторе через встроенный АЦП. Сопротивление резистора априори известно, поэтому остаётся лишь правильно выбрать схему сопряжения его с МК (Рис. 3.71, а…с).

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК (начало):

а) сигнал отдатчика /?изм масштабируется усилителем DAL1 v\ буферизируется повторителем DA1.2. Резистор /?2 регулирует коэффициент усиления ОУ, а значит и чувствительность датчика. Повторитель сигнала DA 1.2 во многих случаях может отсутствовать;

б) делитель на резисторах /?/, R2 ослабляет сигнал с датчика /?изм примерно в 10 раз. Конденсатор С J снижает ВЧ-помехи.,Сопротивление резистора R2 выбирается по даташиту МК (в данном случае для AVR-контроллеров) сточки зрения оптимального режима работы АЦП. Резисторы RJ, /?изм ^^ сумме должны иметь сопротивление на порядок больше, чем резистор R2;

в) резистором R3 регулируется чувствительность датчика тока, выполненного на мощном проволочном резисторе /?изм- Цепочка R4, С J снижает помехи и защищает МК от всплесков напряжения;

г) пример симметричного подключения измерительной цепи к МК при помощи одинаковых резисторов /?/, R2. Диоды VDJ, VD2 ограничивают входной сигнал по амплитуде. Измерение разности напряжений проводится двухканальным АЦП МК в дифференциальном режиме;

Рис, 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК {продолжение):

д) транзистор VT1 открывается при определённом токе, протекающем через резистор /?изм’ после чего на входе М К формируется ВЫСОКИЙ уровень. Если напряжение в измеряемой цепи не превышает +5 В, то ограничительный резистор R2 можно заменить перемычкой;

е) датчик превышения тока через резистор /?изм с индикатором на светодиоде НИ\

ж) МК проверяет, работает ли в данный момент двигатель Л//, по наличию напряжения на низкоомном резисторе RL Схема имеет нижний порог, определяемый напряжением (/^э УТ1\

з) через двигатель Ml протекают импульсы тока, которые периодически открывают транзистор VT1. Благодаря большой ёмкости конденсатора С2, на входе МК поддерживается НИЗКИЙ уровень, который переходит в ВЫСОКИЙ уровень при остановке двигателя;

и) двухполярный датчик тока. Транзистор VTL1 работает как диод, VTL2 - как ключ. Оба транзистора входят в одну сборку и имеют идентичные параметры, отсюда высокая температурная стабильность. Необязательные диоды VD1, КШ защищают транзисторы от перегрузок;

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК {продолжение): к) симметричный съём информации с датчика тока /?изм- Напряжение может подаваться с одноимённого вывода МК. Резистор /?J служит для начальной калибровки показаний;

л) напряжение на входе МК пропорционально току в измеряемой цепи с коэффициентом «1 В/1 А». Напряжение питания на выводе 8 микросхемы D/1/должно быть+5…+30 В;

м) DAI - это усилитель слабого сигнала с регулировкой чувствительности резистором R4. Резисторы /?/, /?2 должны быть одинаковыми по сопротивлению;

н) резистором R2 устанавливается порог срабатывания датчика тока. Стабилитрон VDI защищает компаратор DA1 от всплесков напряжения;

о) сигнальная и защитная «земли» электрически соединяются длинными проводами, поэтому во входные цепи усилителя?14 / вводятся фильтрующие конденсаторы C/…CJ. К сигнальной «земле» подключается МК, к защитной - резистор /?изм’ ®

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков токак МК. {окончание): п) микросхема DA J (фирма Zetex Semiconductors) позволяет измерять абсолютную величину тока (вывод ЮиТ) и его направление (вывод FLAG). Напряжение в измеряемой цепи на любом из выводов резистора /?изм относительно общего провода МК не должно превышать +20 В;

р) измерение тока при помощи специализированной микросхемы DA! фирмы Texas Instruments. Напряжение в измеряемой цепи относительно общего провода МК не должно превышать +36 В. Сопротивление резистора /?изм выбирается так, чтобы на нём при полной токовой нагрузке падало напряжение 50… 100 мВ. Замена микросхемы DA1 - INA193, INAt95, при этом надо подкорректировать коэффициент преобразования в управляющей программе МК;

с) измерение тока при помощи инструментального усилителя DA1 фирмы Analog Devices. Конденсаторы С1…СЗ устраняют высокочастотные помехи и совместно с резисторами R1, R2 симметрируют схему.