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

Jak zaprojektować prosty i precyzyjny układ do pomiaru prądu

ghost666 18 Lut 2018 20:22 3339 4
  • Układy do pomiaru prądu potrzebne są w wielu systemach, na przykład w sterownikach silników itp. W poniższym artykule przyjrzymy się jak zaprojektować układ i płytkę drukowaną do pomiaru prądu płynącego przez opornik pomiarowy. Dzięki wykorzystaniu poniższej wiedzy możliwe jest zaprojektowanie niedrogiego i prostego układu, który będzie charakteryzował się wysokimi parametrami.

    Układ do pomiaru prądu oparty jest o pojedynczy wzmacniacz operacyjny (op-amp) mierzący spadek napięcia na oporniku pomiarowym włączonym szeregowo pomiędzy obciążenie a masę. Na rysunku 1 pokazano schemat ideowy układu z wykorzystaniem miniaturowego op-ampa TLV9061.

    Jak zaprojektować prosty i precyzyjny układ do pomiaru prądu
    Rys.1. Układ do pomiaru prądu z opornikiem pomiarowym po niskiej stronie.


    Napięcie wyjściowe z układu opisane jest równaniem (1), zapisanym poniżej:

    $$V_{out} = I_{load} \times R_{shunt} \times G$$ (1)


    gdzie wzmocnienie G, opisane jest wzorem:

    $$G = 1 + \frac {R_F}{R_G}$$


    Teraz zaprojektować musimy dla powyższego układu płytkę drukowaną. Są dwa głównie wymagania dobrego projektu takiego układu. Po pierwsze, musimy zapewnić, że połączenie od opornika pomiarowego do nieodwracającego wejścia op-ampa oraz od masy opornika $$R_{shunt}$$ do masy opornika
    RG jest możliwie krótkie. Tego rodzaju połączenie jest nazywane połączeniem Kelvina.

    Jeśli w systemie nie będziemy korzystać z połączenia Kelvina, spowoduje to, że w szeregu z opornikiem pomiarowym pojawią się pewne oporności pasożytnicze, co z kolei przełoży się na powstanie błędów wzmocnienia układu. Na rysunku 2 zaznaczono, gdzie pojawia się pasożytnicza rezystancja, która degraduje parametry naszego układu pomiarowego.

    Jak zaprojektować prosty i precyzyjny układ do pomiaru prądu
    Rys.2. Pasożytnicza rezystancja Rstray z szeregu z opornikiem pomiarowym Rshunt.


    Dla układu pokazanego na rysunku 2 napięcie wyjściowe opisane jest równaniem (2):

    $$V_{out} = I_{load} \times (R_{shunt} + R_{stray}) \times G$$ (2)






    Drugim wymogiem co do projektu płytki drukowanej jest konieczność podłączenia opornika RG do masy, blisko punktu, gdzie do masy podłączony jest opornik pomiarowy. Jako że przez wylewkę masy płynie prąd, pojawia się na niej spadek napięcia. Sprawia to, że pojawić się może różnica potencjałów pomiędzy punktem gdzie do masy dołączony jest opornik pomiarowy, a gdzie do masy dopięty jest opornik RG.

    Taka różnica potencjałów, jak opisana powyżej, wprowadzić może do układu pomiarowego pewien niekorzystny offset, co przekłada się na błąd napięcia wyjściowego - błąd pomiaru prądu. Na rysunku 3 zaprezentowano ideowy schemat obrazujący różnicę potencjałów w naszym systemie.

    Jak zaprojektować prosty i precyzyjny układ do pomiaru prądu
    Rys.3. Różnica potencjałów na wylewce masy w układzie do pomiaru prądu.


    Aby wyliczyć napięcie wyjściowe w układzie z różnicą potencjałów na potencjale masy, korzystamy z równania (3):

    $$V_{out} = I_{load} \times R_{shunt} \times (1 + \frac {R_F}{R_G} - V_{GND_OS} \times \frac {R_F}{R_G}$$ (3)


    Wiedząc już jakie wymagania stawiane są projektowy, możemy uściślić schemat ideowy z rysunku 1:

    Jak zaprojektować prosty i precyzyjny układ do pomiaru prądu
    Rys.4. Ideowy schemat układu do pomiaru prądu z uściśleniami.


    Znając już podstawowe wymagania co do rysunku ścieżek opisywanego układu do pomiaru prądu, zaproponować możemy projekt tej części PCB dla schematu z rysunku 1. Przykładowy projekt pokazano na [/b]rysunku 5[/b]. Czerwone ścieżki to warstwa top, a niebieskie to warstwa bottom. Do układu dodano opornik R5 oraz kondensator C1. R5 jest obciążeniem wyjścia, a C1 filtruje zasilanie wzmacniacza operacyjnego - muszą one znaleźć się w systemie, ale pominięto je na schematach dla uproszczenia.

    Jak zaprojektować prosty i precyzyjny układ do pomiaru prądu
    Rys.5. Poprawnie zrealizowany projekt PCB dla układu do pomiaru prądu.


    Warto zwrócić uwagę jak krótkie są ścieżki Kelvina łączące opornik pomiarowy z RG i op-ampem. Dzięki wykorzystaniu miniaturowego TLV9061 możliwe było umieszczenie wszystkich elementów pasywnych i wzmacniacza pomiędzy padami opornika pomiarowego.

    Podsumowując - projektując PCB dla układu do pomiaru prądu po niskiej stronie zasilania, pamiętać musimy o szeregu prostych zasad:

    * Korzystajmy z połączeń Kelvina do opornika pomiarowego.
    * Umieśćmy opornik RG możliwie blisko miejsca, gdzie opornik pomiarowy styka się z masą.
    * Kondensator filtrujący zasilanie wzmacniacza musi znaleźć się blisko niego.
    * W układzie musi być co najmniej jedna wylewka masy.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/02/06/how-to-lay-out-a-pcb-for-high-performance-low-side-current-sensing-designs


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 18 Lut 2018 22:19
    pawlik118
    Poziom 25  

    Pomiędzy wejście "+" a połączenie Zload i Vshunt można dać rezystor. Drugi rezystor pomiędzy "+" a 5V. Wówczas, w zależności od stosunku obu rezystorów na wejściu wzmacniacza nie mamy bardzo małego napięcia, tylko "podniesione" o poziomy wynikający z tych rezystorów, dzięki czemu możemy zastosować tani, zwykły wzmacniacz operacyjny i uzyskać zadowalającą dokładność. Jedyny minus tego rozwiązania to brak możliwości uzyskania dużych wzmocnień oraz konieczność kalibracji pomiaru.
    Taki zabieg stosowany jest w tanich chińskich, cyfrowych amperomierzach.

  • #3 20 Lut 2018 15:44
    Szymon Tarnowski
    Poziom 27  

    Czy może kolega badał te układ w rzeczywistości? Mam obawę że praca wzmacniacza operacyjnego zasilanego jednostronnie przy napięciu wejściowym blisko masy będzie niezbyt liniowa albo nawet układ nie zadziała. No chyba że ten wzmacniacz jest jakiś bardziej przybajerzony.

  • #4 20 Lut 2018 19:19
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Szymon Tarnowski napisał:
    Czy może kolega badał te układ w rzeczywistości? Mam obawę że praca wzmacniacza operacyjnego zasilanego jednostronnie przy napięciu wejściowym blisko masy będzie niezbyt liniowa albo nawet układ nie zadziała. No chyba że ten wzmacniacz jest jakiś bardziej przybajerzony.



    Słuszna uwaga, ale akurat wzmacniacze TLV906x mają i wejście i wyjście rail-to-rail, więc nie ma problemu z pracą odrobinkę nad masą. Karta katalogowa podaje, że napięcie na wejściu (współbieżne) może wyjść poza linie zasilania o 100 mV, a wyjście o 20 mV.

  • #5 26 Mar 2018 23:31
    irek2
    Poziom 40  

    W tym ukladzie nie ma regulacji napiecia niezrownowazenia wiec zaleznie od tego jakie sie trafi na wyjsciu bedzie juz pewne napiecie (jak sie trafi dodatnie) albo mimo braku przeplywu pradu pierwsze kilkadziesiat mA bedzie skutkowalo zerowym napieciem wyjsciowym (jak offset trafi sie ujemny).

    Jak widze, koledzy juz to wychwycili a sam autor chyba nie wie o czym mowa.

  Szukaj w 5mln produktów