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

Precyzyjne układy analogowe z nanozasilaniem, część 2

ghost666 11 Lip 2018 19:08 834 3
  • W poprzedniej części cyklu omawialiśmy offset napięciowy i jego dryft w funkcji temperatury dla układów, gdzie kluczowe jest zminimalizowanie poboru prądu. Pokazaliśmy także na jakie parametry wzmacniacz operacyjnych zwrócić trzeba uwagę dobierając taki element do systemu, aby osiągnąć odpowiednią precyzję przy niskim poborze mocy.

    W poniższej, drugiej części, przyjrzymy się jednej z aplikacji wzmacniaczy operacyjnych - pomiarowi prądu płynącego przez opornik. Zobaczymy na co zwrócić trzeba uwagę, aby zaprojektować precyzyjny system pomiarowy o niskim poborze zasilania.

    Pomiar prądu

    Prąd mierzy się w układach w celu jego zabezpieczania lub monitorowania. Aby zrealizować tego rodzaju system, wstawia się szeregowo opornik o niewielkiej rezystancji i mierzy spadek napięcia na nim. W większości tego rodzaju aplikacji stosuje się dedykowane wzmacniacze pomiarowe, ale w systemach, gdzie istotne jest zużycie mocy precyzyjny wzmacniacz operacyjny jest dobrą alternatywą.

    Opornik pomiarowy (Rshunt) umieścić w układzie można w dwóch miejscach w stosunku do obciążenia: Po tzw. wysokiej stronie, czyli pomiędzy zasilaniem a obciążeniem (jak pokazano na rysunku 1) lub po stronie niskiej, czyli pomiędzy obciążeniem a masą (taki układ ilustruje rysunek 2).


    Precyzyjne układy analogowe z nanozasilaniem, część 2
    Rys.1. Pomiar prądu po stronie wysokiej.

    Precyzyjne układy analogowe z nanozasilaniem, część 2
    Rys.2. Pomiar prądu po stronie niskiej.


    W obu przypadkach układ mierzy spadek napięcia na znanej rezystancji opornika pomiarowego. Realizuje się to poprzez pomiar napięcia na obu nóżkach opornika, co pozwala wyznaczyć spadek napięcia - różnicę tych napięć. Następnie, korzystając z równania (1) - prawa Ohma - wyznaczyć możemy płynący prąd.

    $$I = \frac {V} {R}$$ (1)

    gdzie V to zmierzone napięcie, I to poszukiwany prąd a R to rezystancja opornika pomiarowego.

    Opornik pomiarowy i towarzyszący mu wzmacniacz operacyjny należy dobrać tak, aby miały one minimalny wpływ na działanie obciążenia. Dobierając opornik pomiarowy, najistotniejsze są dwa czynniki:





    * Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym powinien być możliwie mały tak, aby ujemny terminal obciążenia był możliwie blisko masy (w przypadku pomiaru po niskiej stronie) lub żeby dodatni jego terminal był możliwie bliski napięciu zasilania (w przypadku pomiaru prądu po stronie wysokiej).
    * Ilość mocy traconej na rezystorze powinni być możliwie mała. Moc rozpraszana na oporniku opisana jest równaniem (2), poniżej. Jak widzimy ze wzoru, im mniejszy opornik, tym mniej będzie na nim tracone mocy.

    $$P = I^2 \times R$$ (2)

    W tej aplikacji mierzymy prąd, a nie minimalizujemy go jak w poprzedniej części. Dlatego też - odwrotnie niż poprzednio, w przypadku optymalizacji traconej mocy przy założeniu uzyskania konkretnego offsetu DC - musimy stosować opornik o możliwie niskiej rezystancji.

    Wykorzystanie wzmacniaczy operacyjnych o ultraniskim poborze mocy do monitorowania prądu jest popularne w aplikacjach, takich jak systemy ładowania baterii w powerbankach, smartfonach, itp. urządzeniach, a także monitorowanie pracy wielu urządzeń Internetu Rzeczy.

    Jak zatem dobrać wartość tego opornika? Zasadniczym założeniem jest wymóg, aby spadek napięcia na oporniku pomiarowym był większy niż offset napięciowy wejścia wzmacniacza operacyjnego, z jakiego korzystamy w naszej aplikacji.

    Przykład

    Załóżmy, że chcemy dokonać pomiaru prądu po niskiej stronie obciążenia, jak pokazano na rysunku 3. System ma nam służyć do monitorowania pracy obciążenia - wykrywać zarówno zwarcie, jak i zupełne jego rozwarcie. Dla uproszczenia naszego przykładu zakładamy sobie dosyć okrągłe liczby i pomijamy szereg parametrów, takich jak tolerancja opornika itp.

    Precyzyjne układy analogowe z nanozasilaniem, część 2
    Rys.3. Układu do pomiaru prądu po niskiej stronie obciążenia.


    Napięcie zasilania układu wynosi 3,3 V, a system pobiera nie więcej niż 10 mA podczas poprawnej pracy. Wymaga on jednakże, aby wypadkowy potencjał masy nie był większy niż 100 µV ponad rzeczywistą masą układu. Po pierwsze, musimy wybrać taki opornik pomiarowy, aby spadek napięcia na nim był równy nie więcej niż 100 mikrowoltów.

    Korzystając z równania (3) wyznaczamy maksymalną rezystancję opornika pomiarowego Rshunt:

    $$R_{shunt} = \frac {100 \mu V} {10 mA} = 10 m \Omega$$ (3)

    W takim przypadku, jak pokazuje równanie (4) wypadkowa różnica pomiędzy masą EG a rzeczywistą masą wyniesie 100 µV.

    $$ EG = 10 m \Omega \times 10 mA = 100 \mu V$$ (4)

    Następnie wybrać musimy wzmacniacz operacyjny, który będzie w stanie wykryć zmiany w spadku napięcia wyznaczonym powyżej, aby wykryć awarię systemu. W czasie typowej pracy układu, pobór jego mocy zmienia się o nie więcej niż ±10% wokół wartości 10 mA. Nasz wzmacniacz operacyjny powinien być w stanie wykrywać tego rzędu zmiany napięcia na oporniku pomiarowym.

    W momencie, gdy wystąpi jakaś awaria (taka jak zwarcie, rozwarcie, zapad napięcia etc) prąd zmieni się o więcej niż ΔI, wyznaczone w równaniu (5):

    $$I_{\Delta} = 10 mA \times 10 \% = 1 mA$$ (5)

    Z kolei równanie (6) pozwala obliczyć, o ile zmieni się spadek napięcia na oporniku pomiarowym - Vshunt:

    $$V_{Delta} = 1 mA \times 10 m \Omega = 10 \mu V$$ (6)

    W tym przypadku wybrać możemy wzmacniacz operacyjny LPV821. Jest to op-amp o zminimalizowanym poborze mocy, który - dzięki systemowi kompensacji dryftu - osiąga maksymalne napięcie offsetu na poziomie zaledwie 10 mikrowoltów. Pozwala mu to wykrywać zmiany przepływu prądu z założoną dokładnością. Tego rodzaju wzmacniacze operacyjne są idealne do tego typu pomiarów z uwagi na bardzo mały offset napięciowy. Dodatkowo op-amp LPV821 charakteryzuje się bardzo niskim poborem mocy, co oznacza, że może on być cały czas włączony w systemie i podawać na bieżąco informacje na temat poboru prądu, bez nadwyrężania budżetu prądowego projektowanego systemu.

    A czy Wy macie jakieś przykładowe aplikacje, gdzie stosowanie tego rodzaju wzmacniaczy operacyjnych było konieczne?

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/02/08/how-to-make-precision-measurements-on-a-nanopower-budget-part-2-current-sensing-using-nanopower-op-amps


    Fajne!
  • #3 14 Lip 2018 10:33
    willyvmm
    Poziom 26  

    Równanie 5 I w mniejszym stopniu 6 źle się renderuje :(Precyzyjne układy analogowe z nanozasilaniem, część 2

  • #4 16 Lip 2018 10:53
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    willyvmm napisał:
    Równanie 5 I w mniejszym stopniu 6 źle się renderuje :(Precyzyjne układy analogowe z nanozasilaniem, część 2


    Dzięki - poprawione. Niestety LaTeX nie jest renderowany w podglądzie postu, a dopiero po wysłaniu na forum, więc nie zawsze dojrzę ewentualny błąd (o który nie trudno w sumie).