Измерение тока на отрицательной шине питания с помощью прецизионного инструментального усилителя

Для работы цифровых сетей ISDN и телекоммуникационных систем необходимы измерители тока, способные работать с отрицательными потенциалами. В статье описана схема подобного измерителя. Рассматриваемая схема является весьма гибкой и может быть легко адаптирована для измерения тока минусовых шин питания с различным уровнем напряжения. Для пояснения работы схемы использован инструментальный усилитель MAX4460 с однополярным питанием.

Введение

Токовые усилители верхнего уровня используются главным образом для мониторинга тока плюсовой шины питания. Однако в таких применениях, как цифровые сети ISDN и телекоммуникационные системы, необходимы измерители тока, работающие с отрицательными потенциалами. Пример разработки подобного устройства приведен в данной статье.

Пример применения

На рис. 1 показана блок-схема разводки электропитания стандартной телефонной станции. Выпрямитель преобразует входное сетевое переменное напряжение в сигнал постоянного тока, который используется для заряда свинцово-кислотного аккумулятора напряжением 48 В. Батарея снабжает энергией потребителей по телефонной линии. Полярность подключения батареи такова, что напряжение линии является отрицательным (–48 В). Использование отрицательного напряжения способствует уменьшению коррозии, вызываемой электрохимическими реакциями, возникающими из-за высокой влажности.

В телекоммуникационных сетях применяется несколько DC/DC-конверторов, формирующих промежуточные напряжения питания от шины –48 В DC. Эти промежуточные напряжения необходимы для питания коммутаторов, радиоточек, маршрутизаторов, АТХ компьютеров и другого телефонного оборудования. Для мониторинга состояния этих цепей необходимы измерители тока, контролирующие потребление по шине –48 В.

Описание схемы

На схеме, приведенной на рис. 2, показана практическая реализация узла измерения тока минусовой шины. Для его построения используется инструментальный усилитель типа MAX4460 или MAX4208 и набор дискретных компонентов. Стабилитрон D₁ защищает инструментальный усилитель от перегрузки по напряжению, обеспечивая при этом напряжение, достаточное для работы схемы. Измеряемый ток протекает к отрицательной шине через измерительный резистор RSENSE. Инструментальный усилитель должен иметь однополярное питание и обладать чувствительностью к входным сигналам, имеющим уровень «земли» (корпуса).

Выходное напряжение MAX4460 является управляющим напряжением затвора полевого МОП-транзистора M₁. Благодаря отрицательной обратной связи падение напряжения на резисторе R₃ равняется V_SENSE — напряжению на резисторе R_SENSE. Соответственно, R₃ устанавливает ток, пропорциональный току нагрузки:

R₂ подбирается таким образом, чтобы выходное напряжение находилось в пределах требуемого диапазона напряжений следующей цепи (обычно АЦП).

Напряжение пробоя сток–исток полевого МОП-транзистора должно превышать суммарное падение напряжения между двумя шинами питания (в данном случае +125 В). Если используемый АЦП не имеет высокоомного входа, VOUT можно подавать на его вход через буферный операционный усилитель. Если измерительный ток превышает номинальное значение вследствие какой-либо неисправности, выходное напряжение становится отрицательным. Диод D2 защищает АЦП от повреждения, ограничивая отрицательное напряжение на выходе величиной падения напряжения на диоде.

Порядок проектирования

Описанную конструкцию можно легко адаптировать для измерения токов на отрицательных шинах питания высокого напряжения. Эта гибкость иллюстрируется путем выбора напряжения отрицательной шины –120 В. Следуя приведенной далее простой процедуре, можно спроектировать токоизмерительный усилитель для другой шины питания.

Выбор стабилитрона

Задавая смещение стабилитрона, важно выбрать такую точку на его передаточной характеристике, в которой у него было бы низкое динамическое сопротивление (то есть достаточно далеко в области обратного пробоя), во избежание ошибок, связанных с подавлением помех по питанию. На рис. 3 показан график зависимости тока стабилитрона от напряжения для стандартного обратно смещенного стабилитрона. Данные показывают, что стабильность напряжения стабилитрона вблизи от напряжения пробоя невысока. Поэтому общее правило — устанавливать рабочую точку на уровне около 25% от максимального тока, задаваемого номинальной мощностью. Такая рабочая точка обеспечивает низкое динамическое сопротивление без излишнего расхода электроэнергии. Рабочая точка устанавливается путем выбора резистора R₁ по следующей формуле:

где V_CC — напряжение положительной шины питания; V_Z — стабилизированное напряжение стабилитрона; |V_NEG| — абсолютное значение напряжения отрицательной шины питания; I_S — потребляемый ток MAX4460; I_Z — ток, протекающий через стабилитрон.

Резистор R₁ должен иметь соответствующую номинальную мощность и выдерживать высокие напряжения. Чтобы ослабить эти ограничения, вместо него можно использовать последовательно-параллельное включение резисторов меньшей номинальной мощности.

Выбор мощного транзистора

n-канальный полевой МОП-транзистор, или полевой транзистор с управляющим pn-переходом, должен иметь напряжение пробоя сток-исток, превышающее |V_NEG|+V_CC. Это ограничение важно при высоком отрицательном напряжении питания.

Выбор R_SENSE

Выберите R_SENSE так, чтобы максимальное измерительное напряжение на резисторе R_SENSE не превышало 100 мВ.

Выбор R₃

Сопротивление R₃ можно выбирать достаточно гибко. Для удачного выбора следует руководствоваться двумя наблюдениями:

1. Из формулы (1) следует, что с уменьшением R₃ при фиксированном усилении увеличивается рассеиваемая мощность.
2. Тепловой шум и ток утечки полевого транзистора задают верхний предел значения R₃.

Выбор R₂

Отношение сопротивлений резисторов R₂ и R₃ равно коэффициенту усиления по напряжению результирующего токоизмерительного усилителя. Выходное напряжение определяется по следующей формуле:

Знак «минус» показывает, что выходное напряжение инвертируется относительно входного измерительного напряжения.

Из формулы (4) можно определить R₂.

Результаты

На рис. 4 изображен типичный график зависимости выходного напряжения от измерительного напряжения. По ней можно определить следующие типичные значения параметров токоизмерительного усилителя:

• Напряжение смещения, приведенное к входу, равно (5–4,9831)/49,942 = 338 мкВ.
• Коэффициент усиления равен –49,942.

Заключение

В статье показано использование прецизионного инструментального усилителя, такого как MAX4460, для измерения тока при отрицательном напряжении. Описанную схему можно легко приспособить для измерения тока на отрицательных шинах с другим напряжением, следуя приведенной процедуре.

Аналогичная статья была опубликована в августовском выпуске журнала «Power Electronics Technology» (издательство Penton Publication) за 2007 г.

Для получения дополнительной информации обращайтесь к официальным дистрибьюторам компании Maxim в России — www.maxim-ic.ru/contact.