Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: o rozsądku przy pomiarze prądu.

ghost666 12 Paź 2016 19:20 2814 2
  • Rzadko zadawane pytania: o rozsądku przy pomiarze prądu.
    Pytanie: Muszę skonstruować w moim układzie system do pomiaru prądu, ale nie wiem jaki wykorzystać do tego wzmacniacz. Od czego zacząć jego wybór?

    Odpowiedź: Pomiar prądu elektrycznego jest kluczowy w wielu różnych aplikacjach, takich jak kontrola siłowników, konstrukcja sprzętu testowego i pomiarowego czy wykorzystywanie sensorów analogowych oraz oczywiście przy monitorowaniu zużycia energii elektrycznej. A to jedynie kilka z rozmaitych zastosowań systemów do pomiaru prądu. Zależnie od konkretnej aplikacji i jej wymagań, projektanci muszą wybrać odpowiednią metodę pomiaru prądu, zależną m.in. od jego wartości. Problem pojawia się, gdy możliwości jest więcej niż jedna. Na przykład w przypadku precyzyjnego pomiaru niewielkich prądów można wykorzystać dyskretny wzmacniacz operacyjny lub też skonstruować wzmacniacz transimpedancyjny w oparciu o któryś spośród wielu dostępnych na rynku układów scalonych, dedykowanych do tego celu. Jaki więc wybrać sposób pomiaru wartości prądu w danej sytuacji?

    Oczywistym dla wszystkich jest to, że prąd mierzy się z układem wpiętym szeregowo ze źródłem prądu i obciążeniem. I że układ pomiarowy nie powinien obciążać źródła. Często zdarza się, że niewielki opornik, wykorzystany do pomiaru prądu, generuje bardzo mały spadek napięcia, który musi być następnie odpowiednio wzmocniony. Rezystancja opornika pomiarowego nie może być zbyt duża dlatego, aby nie obciążać zbytnio źródła prądowego, oraz w wielu przypadkach, aby nie produkować zbyt wiele ciepła. Niezależnie od przyczyny układ pomiarowy musi pracować na bardzo małym napięciu, jakie odkłada się na oporniku. Oznacza to, że pomiaru dokonywać należy różnicowo, a dodatkowo w torze pomiarowym należy zaimplementować układ przesuwający napięcie o pewien stały offset do poziomu umożliwiającego pomiar. Zależnie od aplikacji prąd mierzony w układzie wahać może się od kilku attoamperów do kilku amperów lub więcej - to wiele rzędów wielkości. Do każdego poziomu mierzonego prądu dedykowany jest zasadniczo układ o innej topologi. Przyjrzyjmy się zatem szeregowi układów pomiarowych i typowych przykładach ich wykorzystania w systemie.

    Umieszczenie opornika w torze prądowym i wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego do buforowania lub wzmacniacza różnicy napięć na oporniku (patrz rysunek 1a jest chyba najprostszym sposobem zmierzenia się z tematem. Niestety metoda ta nie pozwala na usuwanie offsetu z napięcia, co sprawia że dobrze nadaje się gdy opornik pomiarowy włączony jest tylko pomiędzy obciążeniem a masę. W takim przypadku obciążenie dla źródła prądowego minimalizuje się po prostu zmniejszając opór oraz dodając do układu wzmocnienie (patrz rysunek 1b), ale z kolei takie rozwiązanie obciążone jest zwiększeniem poziomu szumu w sygnale pomiarowym. Lepszym sposobem, aby zmniejszyć obciążenie źródła prądowego do minimum, a jednocześnie zachować dobre parametry elektryczne, jest zastosowanie tak zwanego wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA), znane także jako przetworniki prąd-napięcie. Rysunek 1c pokazuje w jaki sposób wykorzystanie TIA jest ekwiwalentem 'zawinięcia' rezystora pomiarowego wokół wzmacniacza operacyjnego. Taka architektura pozwala na redukcję obciążenia źródła prądowego do zera (zasadniczo - prawie do zera, z dokładnością do offsetów napięciowych wejścia i wyjścia wzmacniacza operacyjnego). Więcej o wzmacniaczach tego rodzaju przeczytać można w tym poście, a tutaj prześledzić można cały proces projektowania tego rodzaju układu o programowalnym wzmocnieniu, które pozwala na skonstruowanie systemu pomiarowego zdolnego do dokładnego pomiaru kilku rzędów wielkości prądu.





    TIA sprawdzają się bardzo dobrze, ale zakres ich zastosowania ograniczony jest wydajnością prądową wyjścia op-ampa. Wynosi ona bardzo często zaledwie kilka miliamperów. Tego rodzaju układy często implementuje się np. do pomiaru prądu z fotodiod i innych, podobnych sensorów - oferują one wysoką precyzję przy pomiarze tych niewielkich prądów. Jednakże układy TIA są niepraktyczne, gdy nie mamy możliwości pomiaru prądu pomiędzy obciążeniem a masą i musimy umieścić nasz układ pomiarowy po stronie 'wysokiej' - pomiędzy źródłem prądowym a obciążeniem. W takim przypadku najlepiej jest zaimplementować układ oparty na wzmacniaczu pomiarowym (instrumentalnym), taki jak pokazano na rysunku 1d. Układy tego rodzaju doskonale sprawdzają się w wielu aplikacjach, takich jak pomiar zużycia energii elektrycznej, kontrola linii prądowej 4 - 20 mA czy współpraca z niektórymi sensorami.
    Rzadko zadawane pytania: o rozsądku przy pomiarze prądu.
    Rys.1. Różne topologie układów do pomiaru prądu

    W szeregu przypadków spadkowi napięcia na oporniku pomiarowym towarzyszy pewne napięcie współbieżne, nierzadko większe niż maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe tradycyjnych wzmacniaczy operacyjnych. Stosowanie tego rodzaju elementów w tych układach jest problematyczne i kosztowne, wymaga np. implementacji izolacji galwanicznej etc. Odmiennie niż zwykłe wzmacniacze operacyjne układy scalone dedykowane do pomiaru prądu jak np. wzmacniacze różnicowe i pomiarowe nie mają tego problemu i mogą realizować pomiar niewielkich spadków napięcia w obecności wysokiego napięcia współbieżnego. Dodatkowo są to bardzo często wytrzymałe i niezawodne układy, co sprawia, że doskonale sprawdzają się w aplikacjach takich jak kontrola silników i siłowników zasilanych elektrycznie.

    Zatem - zanim rozpoczniesz projektowanie układu, mającego za zadanie pomiar prądu, rozważ zaprezentowane powyżej układy oraz zapoznaj się z dostępnymi on-line narzędziami do projektowania takich systemów jak na przykład Photodiode Wizard czy Diamond Plot Tool dla wzmacniaczy pomiarowych. Wykorzystanie Photodiode Wizard pozwala na zaprojektowanie poprawnie skompensowanego wzmacniacza transimpedancyjnego niezależnie, czy będzie on stosowany z fotodiodą czy z innym elementem, oczywiście tak długo jak znamy pojemność kabla i samego sensora. Inne narzędzia i cenne porady w tym zakresie dostępne są na EngineerZone? firmy Analog Devices, gdzie można zapoznać się z przykładowymi rozwiązaniami układowymi, jakie opracowali inni projektanci. Dzięki tym krokom z pewnościom uda się Wam zaprojektować odpowiedni do danej aplikacji tor dla pomiaru prądu.

    Źródło: http://www.analog.com/library/AnalogDialogue/archives/50-09/raq-133.html


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 13 Paź 2016 06:42
    Jacekser
    Poziom 17  

    Czy nie lepszy byłby tytuł "Narzędzia wspomagające dobór wzmacniacza pomiarowego prądu"?.Rozsądek zawsze wskazany jest przy wszystkich aspektach projektowania ukł. elektronicznego,a prąd można mierzyć nie tylko metodą spadku napięcia na rezystancji chociaż w dużej mierze zależny jest od wielkości tego prądu.

  • #3 13 Paź 2016 10:11
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Jacekser napisał:
    Czy nie lepszy byłby tytuł "Narzędzia wspomagające dobór wzmacniacza pomiarowego prądu"?.Rozsądek zawsze wskazany jest przy wszystkich aspektach projektowania ukł. elektronicznego,a prąd można mierzyć nie tylko metodą spadku napięcia na rezystancji chociaż w dużej mierze zależny jest od wielkości tego prądu.


    Oczywiście, że taki mógłby być tytuł, ale artykuł jest częścią tłumaczyć cyklu z "Analog Dialogue" który zwie się właśnie Rarely Asked Questions. Zajrzyj w moje starsze tematy, lub wyszukaj tym hasłem - sporo już na Elektrodzie tego jest i powiem szczerze, że uważam wiele z nich za bardzo ciekawe i potrzebne materiału.