Микросхемы для измерения тока

№ 10’2006
PDF версия
Измерение, контроль и регулирование тока — распространенные задачи в различных приложениях электроники. Предлагаемая вниманию читателей статья представляет собой обзор схемотехнических решений и компонентов, применяемых для этих целей.

Один из способов измерения тока в электрической цепи — это измерение падения напряжения на токоизмерительном резисторе (шунте) известного сопротивления, включенном последовательно с нагрузкой. Чтобы сопротивление шунта оказывало минимальное воздействие на режим работы нагрузки, оно выбирается минимально возможной величины, что предполагает последующее усиление сигнала.

В таблице 1 перечислены производители электронных компонентов, выпускающие как специализированные изделия, предназначенные для контроля тока, так и микросхемы усилителей, подходящих для этой цели.

Таблица 1. Фирмы-производители микросхем-мониторов тока
Изготовитель
Analog Devices Inc.
Integration Associates Inc.
International Rectifier
IXYS Corp.
Linear Technology Corp.
Maxim Integrated Products
National Semiconductor
Semtech Corp.
Texas Instruments Inc.
Zetex Semiconductor

Специализированные микросхемы для контроля (измерения) тока производителями названы Low-Side Current Sense Monitor (Amplifier) и High-Side Current Sense Monitor (Amplifier). Буквальный перевод этих терминов на русский язык дает такие же загадочные названия, как «южный мост» в материнской плате компьютера.

Фирма Maxim определяет High-side current sensing как измерение тока по падению напряжения на резисторе, включенном между источником питания и нагрузкой, а Low-side current sensing — как измерение тока по падению напряжения на резисторе, включенном между нагрузкой и общим проводом («землей»).

Воспользуемся для дальнейшего описания понятиями измерения тока в положительном и отрицательном полюсах нагрузки предполагая, что шина питания имеет положительный потенциал относительно общей шины, что справедливо для подавляющего большинства современных электронных схем. 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

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 множество операционных усилителей, предназначенных для работы с однополярным питанием с входным синфазным напряжением, включающим потенциал общей шины, а также многие из инструментальных усилителей. По этой причине специализированные микросхемы Low-Side Sense Monitor (Amplifier) практически отсутствуют. Схемы измерения тока с применением операционного и инструментального усилителей приведены на рис. 1 и 2 соответственно. 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 либо двухполярное питание усилителя, либо смещение уровня выходного сигнала подключением вывода REF инструментального усилителя к источнику опорного напряжения.

Схема измерения тока в отрицательном полюсе с операционным усилителем

Рис. 1. Схема измерения тока в отрицательном полюсе с операционным усилителем

Схема измерения тока в отрицательном полюсе с измерительным усилителем

Рис. 2. Схема измерения тока в отрицательном полюсе с измерительным усилителем

 

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. 3 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания и точностным характеристикам 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.

Схема измерения тока в положительном полюсе с операционным усилителем

Рис. 3. Схема измерения тока в положительном полюсе с операционным усилителем

Так называемые Over-The-Top Rail-To-Rail Input и Output Amplifier (LT1494, LT1636, LT1637, LT1672, LT1782, LT1783, LT1784 от Linear Technology) работоспособны при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 4, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В.

Схема измерения тока в положительном полюсе с Over-The-Top операционным усилителем

Рис. 4. Схема измерения тока в положительном полюсе с Over-The-Top операционным усилителем

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. На рис. 5 показана схема с применением LTC6800. Напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя (5,5 В).

Схема измерения тока в положительном полюсе с инструментальным усилителем LTC6800

Рис. 5. Схема измерения тока в положительном полюсе с инструментальным усилителем LTC6800

Дифференциальные усилители, подходящие для построения схем мониторов тока в положительном полюсе, перечислены в таблице 2.

Таблица 2. Дифференциальные усилители
Прибор Диапазон входного напряжения, мВ Синфазное входное напряжение, В Коэффициент передачи G, В/В Погрешность коэффициента передачи при +25 °С, %, макс Температурный дрейф коэффициента передачи, ppm/°C, макс Погрешность коэффициента передачи  в рабочем диапазоне температур, %, макс Полоса пропускания –3 дБ, кГц Выходное сопротивление, Ом Напряжение питания VS, В Ток потребления, мА, макс Рабочий диапазон температур, °С Корпус  
Дополнительные функции
Переключаемое усиление Вывод для организации фильтра Установка усиления внешним резистором Выключение питания
Analog Devices, Inc.
AD629   ±270 1 0,05 10   500   ±(2,5–18) 1 –40…+85 NA8, SOA8        
AD22057 200 –1…24 20 0,5 62,5   30 2 3–36 0,5 –40…+125 NA8, SOA8   +    
(1–160)
AD8200 500 –2…24 20 1 20   50 2 4,7–12 1 –40…+125 SOA8   +    
AD8202 500 –8…28 20 0,3 25   50 2 3,5–12 1 –40…+125 MSOPA8, SOA8   +    
AD8203 700 –6…30 14 0,3 25   60 2 3,5–12 1 –40…+125 MSOPA8, SOA8   +    
AD8205 100 –2…65 50 1   1,3 50 200 4,5–5,5 2 –40…+125 SOA8        
AD8206 250 –2…65 20 1   1,3 100 200 4,5–5,5 2 –40…+125 SOA8        
Linear Technology Corp.
LT1990   –37…250 1; 10 0,8 20   7 (G=10)   2,7–30 0,18 –40…+125 SOA8 +      
(G = 10)
LT1991   –0,5…5,1 1–13 0,08–0,12 3   40 (G=9)   2,7–36 0,18 –40…+125 DFNA10, MSOPA10        
Maxim Integrated Products
MAX4198 100 0…VS 1 0,1 6   175   2,7–5,5 0,055 –40…+85 SOA8, μMAXA8       +
MAX4199 100 0…VS 10 0,1 6   45   2,7–5,5 0,055 –40…+85 SOA8, μMAXA8       +
Texas Instruments Inc.
INA145   0…(2VSA2) 1–1000       50   4,5–36 0,7 –55…+125 SOA8     +  
(G = 10)
INA147   ±200 1 0,05 10   200   ±(5–18) 2 –55…+125 DIPA8, SOA8, TOA99        
INA148   0…200 1 0,075 10   100   2,7–36 0,3 –55…+125 SOA8        
INA152   0…(2VSA2) 1 0,1 10   800   2,7–20 0,65 –55…+125 MSOPA8        

Некоторые из них имеют очень широкий диапазон входного синфазного напряжения, распространяющийся и в область отрицательных значений, что позволяет организовать при необходимости измерение тока и в нагрузке, подключенной к источнику питания отрицательной полярности. Рекордные показатели у LT1990, имеющего диапазон входного синфазного напряжения от –37 до 250 В при однополярном питании и ±250 В при двухполярном. Схема с его использованием изображена на рис. 6. Микросхемам AD629 и INA117 требуется двухполярное питание, при этом диапазон входного синфазного напряжения составляет ±270 В и ±200 В.

Схема измерения тока в положительном полюсе с дифференциальным усилителем LT1990

Рис. 6. Схема измерения тока в положительном полюсе с дифференциальным усилителем LT1990

Интеграция практически всех необходимых компонентов в один кристалл привела к созданию специализированных микросхем мониторов тока. Как правило, эти микросхемы не обеспечивают точности, достижимой с использованием прецизионных усилителей. Однако для подавляющего большинства применений, особенно если требуется только контроль тока, а не измерение его точного значения, заявляемой производителями точности вполне достаточно.

По выходному сигналу микросхемы можно разделить на три группы: с токовым выходом, потенциальным выходом и ШИМ-выходом.

Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом INA139

Рис. 7. Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом INA139

Характеристики микросхем c токовым выходом приведены в таблице 3.

Таблица 3. Микросхемы мониторов тока с токовым выходом

Прибор

Диапазон входного напряжения, мВ

Синфазное входное напряжение, В

Коэффициент передачи, мА/В

Погрешность коэффициента передачи при +25 °С, %, макс

Погрешность коэффициента передачи в рабочем диапазоне температур, %, макс

Полоса пропускания, –3 дБ, кГц

Напряжение питания, В

Ток потребления, мА, макс

Рабочий диапазон температур, °С

Корпус

Дополнительные функции

Устанаовка коэффициента передачи внешними резисторами

Встроенный датчик температуры

Выключение питания

Двунаправленный

Вывод сигнализации

Integration Associates Inc.

IA2410

100

5–36

 

 

 

 

5–36

0,09

–40…+85

SOA8, SOT23A5

+

+

+

 

 

Linear Technology Corp.

LT6101

500

4–60

 

 

 

200

4–60

0,45–0,69

–40(0)…

+(85)125

MSOPA8, SOT23A5

+

 

 

 

 

LT6101HV

500

5–100

 

 

 

200

5–100

0,45–0,69

–40(0)…

+(85)125

MSOPA8, SOT23A5

+

 

 

 

 

Maxim Integrated Products

MAX4172

150

0–32

10

2

3

800

3–32

1,6

–40…+85

μMAXA8, SOA8

 

 

 

 

+

Texas Instruments Inc.

INA138

100

2,7–36

0,2

1

2

800

2,7–36

0,045

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

INA168

100

2,7–60

0,2

1

2

800

2,7–60

0,045

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

INA139

100

2,7–40

1

1

 

440

2,7–40

0,125

–40…+85

SOT23A5

 

 

 

 

 

INA169

100

2,7–60

1

1

 

440

2,7–60

0,125

–40…+85

SOT23A5

 

 

 

 

 

INA170

100

2,7–40

1

2

 

400

2,7–60

0,125

–55…+125

MSOPA8

 

 

 

+

 

Zetex Semiconductor

ZXCT1008

500

2,5–20

10

2,5

 

2000

2,5–20

0,015

–40…+125

SOT23

 

 

 

 

 

ZXCT1009

2500

2,5–20

10

2,5

 

2000

2,5–20

0,015

–40…+85

SOT23, SMA8

 

 

 

 

 

ZXCT1010

2500

2,5–20

10

2,5

 

2000

2,5–20

0,018

–40…+85

SOT23A5

 

 

 

 

 

ZXCT1011

500

2,5–20

 

3

 

1500

2,5–20

0,015

–40…+125

SOT23A5

+

 

 

 

 

На рис. 7 показана схема с применением INA139, в которой кроме токового шунта требуется единственный внешний компонент — резистор ROUT. В схеме на рис. 8 с применением LTC6101HV, кроме того, необходим резистор RIN, включаемый в цепь встроенного источника тока.

Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом LTC6101HV

Рис. 8. Монитор тока в положительном полюсе с токовым выходом LTC6101HV

Поскольку выходное сопротивление схем достигает нескольких десятков килоом, схемы последующей обработки сигнала должны иметь высокое входное сопротивление.

Особенность трехвыводных микросхем ZXCT1008 и ZXCT1009 от Zetex — протекание собственного тока потребления микросхемы через резистор ROUT, что, естественно, вносит дополнительную погрешность. Однако ввиду чрезвычайно малого собственного потребления эта погрешность незначительна, особенно в конце шкалы, и вполне приемлема. На рис. 9 показано применение ZXCT1009 в схеме зарядного устройства для Li-Ion аккумулятора.

Схема управления зарядным устройством

Рис. 9. Схема управления зарядным устройством

В таблице 4 приведены характеристики микросхем-мониторов тока с потенциальным выходом.

Таблица 4. Микросхемы мониторов тока с потенциальным выходом

Прибор

Количество схем в корпусе

Диапазон входного напряжения, мВ

Синфазное входное напряжение, В

Коэффициент передачи, В/В

Погрешность коэффициента передачи при +25 °С, %, макс

Погрешность коэффициента передачи в рабочем диапазоне температур, %, макс

Полоса пропускания –3 дБ, кГц

Выходное сопротивление, Ом

Напряжение питания, В

Ток потребления, мА, макс

Рабочий диапазон температур, °С

Корпус

Дополнительные функции

Переключаемое усиление

Вывод для организации фильтра

Защита от переполюсовки

Отключение питания

Буферизированный выход

Выключение питания

Двунаправленный режим

Встроенный ИОН

Встроенный компаратор

Analog Devices, Inc.

AD8210

1

250

–2…65

20

0,5

0,7

450

2

4,5–5,5

2

–40…+125

SOA8

 

 

 

 

 

 

+

 

 

ADM4073T

1

150

2–28

20

2

2

1800

12000

3–28

1,2

–40…+125

SOT23A6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ADM4073F

1

150

2–28

50

1,5

3

1700

12000

3–28

1,2

A40…+125

SOT23A6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ADM4073H

1

150

2–28

100

1,5

3

1600

12000

3–28

1,2

–40…+125

SOT23A6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ixys Corp.

IXI848

1

150

2,7–40

10, 50

0,7 тип

1 тип

 

33000

2,7–40

0,13

–40…+85

SOA8

+

 

 

 

 

 

 

 

 

IXI848A

1

150

2,7–60

10, 50

0,7 тип

1 тип

 

33000

2,7–60

0,13

–40…+85

SOA8

+

 

 

 

 

 

 

 

 

Linear Technology Corp.

LT1787

1

500

2,5–36

8

 

3

100

20000

2,5–36

0,12

–40(0)…+(85)125

MSOPA8, SOA8

 

 

 

 

 

 

+

 

 

LT1787HV

1

500

2,5–60

8

 

3

100

20000

2,5–60

0,12

–40(0)…+(85)125

MSOPA8, SOA8

 

 

 

 

 

 

+

 

 

LT6100

1

300

4,1–48

10; 12,5; 20;

25; 40; 50

0,6

1

150

 

2,7–36

0,17

–40(0)…+(85)125

MSOPA8, DFNA8

+

+

+

+

+

 

 

 

 

Maxim Integrated Products

MAX4069

1

50, 75

1,35–24

50, 100

1

2,5

40, 100

 

2,7–24

0,25

–40…+125

μMAXA10

+

+

+

+

 

MAX4070

1

50, 75

1,35–24

50, 100

1

2,5

40, 100

 

3,6–24

0,25

–40…+125

μMAXA10, TQFNA8

+

+

+

+

 

MAX4071

1

50, 75

1,35–24

50, 100

1

2,5

40, 100

 

2,7–24

0,25

–40…+125

μMAXA10, TQFNA8

+

+

+

+

 

MAX4072

1

50, 75

1,35–24

50, 100

1

2,5

40, 100

 

2,7–24

0,25

–40…+125

μMAXA10, TQFNA8

+

+

+

 

 

MAX4073T

1

150

2–28

20

4,5

6,5

1800

12000

3–28

1,2

–40…+125

SC70A5, SOT23A6

 

 

 

 

 

MAX4073F

1

150

2–28

50

4,5

6,5

1700

12000

3–28

1,2

–40…+125

SC70A5, SOT23A6

 

 

 

 

 

MAX4073H

1

150

2–28

100

4,5

6,5

1600

12000

3–28

1,2

–40…+125

SC70A5, SOT23A6

 

 

 

 

 

MAX4080F

1

1000

4,5–76

5

0,6

1,2

250

0,1

4,5–76

0,19

–40…+125

μMAXA8, SOA8

 

 

 

 

 

MAX4080T

1

250

4,5–76

20

0,6

1,2

250

0,1

4,5–76

0,19

–40…+125

μMAXA8, SOA8

 

 

 

 

 

MAX4080S

1

100

4,5–76

60

0,6

1,2

250

0,1

4,5–76

0,19

–40…+125

μMAXA8, SOA8

 

 

 

 

 

MAX4081F

1

±1000

4,5–76

5

0,6

1,2

150

0,1

4,5–76

0,19

–40…+125

μMAXA8, SOA8

 

 

+

 

 

MAX4081T

1

±250

4,5–76

20

0,6

1,2

150

0,1

4,5–76

0,19

–40…+125

μMAXA8, SOA8

 

 

+

 

 

MAX4081S

1

±100

4,5–76

60

0,6

1,2

150

0,1

4,5–76

0,19

–40…+125

μMAXA8, SOA8

 

 

+

 

 

MAX4173T

1

150

0–28

20

2,5

4

1700

12000

3–28

1

–40…+85

SC70A5, SOT23A6

 

 

 

 

 

MAX4173F

1

150

0–28

50

2,5

4

1400

12000

3–28

1

–40…+85

SC70A5, SOT23A6

 

 

 

 

 

MAX4173H

1

150

0–28

100

2,5

4

1400

12000

3–28

1

–40…+85

SC70A5, SOT23A6

 

 

 

 

 

MAX4210

1

100, 150

4–28

16,67; 25;

1,5

3

220

0,5

2,7–5,5

0,57

–40…+85

μMAXA8, TDFNA6

 

 

 

 

 

 

 

 

40,96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MAX4211

1

100, 150

4–28

16,67; 25;

1,5

3

220

0,5

2,7–5,5

0,96

–40…+85

TSSOPA16, QFNA16

 

 

 

+

+

 

 

 

40,96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MAX4372T

1

150

0–28

20

2,5

5,5

275

1,5

2,7–28

0,06

–40…+85

SOA8, SOT23A5, UCSPA5

 

 

 

 

 

MAX4372F

1

150

0–28

50

2,5

5,5

200

1,5

2,7–28

0,06

–40…+85

SOA8, SOT23A5, UCSPA5

 

 

 

 

 

MAX4372H

1

100

0–28

100

2,5

5,5

110

1,5

2,7–28

0,06

–40…+85

SOA8, SOT23A5, UCSPA5

 

 

 

 

 

MAX4373T

1

150

0–28

20

1,7

2,7

200

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA8, SOA8

 

 

 

 

 

MAX4373F

1

150

0–28

50

1,7

2,7

120

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA8, SOA8

 

 

 

 

 

MAX4373H

1

100

0–28

100

1,7

2,7

110

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA8, SOA8

 

 

 

 

 

MAX4374T

1

150

0–28

20

1,7

2,7

200

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA10, SOA14

 

 

 

+

+

MAX4374F

1

150

0–28

50

1,7

2,7

120

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA10, SOA14

 

 

 

+

+

MAX4374H

1

100

0–28

100

1,7

2,7

110

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA10, SOA14

 

 

 

+

+

MAX4375T

1

150

0–28

20

1,7

2,7

200

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA10, SOA14

 

 

 

+

+

MAX4375F

1

150

0–28

50

1,7

2,7

120

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA10, SOA14

 

 

 

+

+

MAX4375H

1

100

0–28

100

1,7

2,7

110

1,5

2,7–28

0,1

–40…+85

μMAXA10, SOA14

 

 

 

+

+

MAX4376T

1

150

0–28

20

3,25

6,25

2000

5

3–28

2,2

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

MAX4376F

1

150

0–28

50

3,25

6,25

1700

5

3–28

2,2

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

MAX4376H

1

150

0–28

100

3,25

6,25

1200

5

3–28

2,2

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

MAX4377T

2

150

0–28

20

3,25

6,25

2000

5

3–28

2,2

–40…+125

SOA8

 

 

 

 

 

MAX4377F

2

150

0–28

50

3,25

6,25

1700

5

3–28

2,2

–40…+125

SOA8

 

 

 

 

 

MAX4377H

2

150

0–28

100

3,25

6,25

1200

5

3–28

2,2

–40…+125

SOA8

 

 

 

 

 

MAX4378T

4

150

0–28

20

3,25

6,25

2000

5

3–28

2,2

–40…+125

TSSOPA14

 

 

 

 

 

MAX4378F

4

150

0–28

50

3,25

6,25

1700

5

3–28

2,2

–40…+125

TSSOPA14

 

 

 

 

 

MAX4378H

4

150

0–28

100

3,25

6,25

1200

5

3–28

2,2

–40…+125

TSSOPA14

 

 

 

 

 

Semtech Corp.

SC310A

 

150

2,7–25

20

3,25

4,75

2000

60

3–25

1

–40…+125

SOT23A6

 

 

 

 

 

+

 

 

 

SC310B

 

150

2,7–25

50

3,25

4,75

1400

60

3–25

1

–40…+125

SOT23A6

 

 

 

 

 

+

 

 

 

SC310C

 

150

2,7–25

100

3,25

4,75

900

60

3–25

1

–40…+125

SOT23A6

 

 

 

 

 

+

 

 

 

Texas Instruments Inc.

INA193

 

150

–16…80

20

1

2

500

1.5

2,7–18

0,9

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INA194

 

150

–16…80

50

1

2

300

1.5

2,7–18

0,9

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INA195

 

150

–16…80

100

1

2

200

1.5

2,7–18

0,9

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INA196

 

150

–16…80

20

1

2

500

1.5

2,7–18

0,9

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INA197

 

150

–16…80

50

1

2

300

1.5

2,7–18

0,9

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INA198

 

150

–16…80

100

1

2

200

1.5

2,7–18

0,9

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zetex Semiconductor

ZXCT1021

 

150

2,5–20

10

2

 

2000

15000

2,5–20

0,035

–40…+85

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ZXCT1022

 

100

2,5–20

100

3

 

2000

15000

2,5–20

0,035

–40…+85

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ZXCT1030

 

500

2,2–VCC

10

3

 

6000

1500

2,2–20

0,35

–40…+85

MSOPA8

 

 

 

 

 

 

 

+

+

ZXCT1051

 

300

0…(VCC–2)

10

 

 

1000

3750

2,7–20

0,07

–40…+125

SOT23A5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

От мониторов тока с токовым выходом они отличаются тем, что содержат внутренний резистор ROUT, а часть из них имеет выходной усилитель, позволяющий уменьшить выходное сопротивление до единиц и даже долей ома. В качестве примера внутренней организации на рис. 10 показан монитор тока MAX4372.

Монитор тока в положительном полюсе с потенциальным выходом MAX4372

Рис. 10. Монитор тока в положительном полюсе с потенциальным выходом MAX4372

При необходимости контролировать ток, который изменяет направление в зависимости от режима работы схемы, например, ток, протекающий через реверсируемый электродвигатель, или ток заряда–разряда аккумуляторной батареи, используются два монитора тока. Схема для последнего случая приведена на рис. 11.

Схема контроля тока заряда–разряда аккумулятора

Рис. 11. Схема контроля тока заряда–разряда аккумулятора

Здесь каждый монитор контролирует ток своего направления. Альтернативное решение — использование сдвоенного монитора тока MAX4377 или двунаправленного (Bidirectional) монитора тока, схема применения которого изображена на рис. 12. Опорное напряжение устанавливает уровень, относительно которого изменяется выходное напряжение. Выходной сигнал схемы увеличивается с ростом тока положительного направления и, соответственно, уменьшается с ростом тока отрицательного направления. Аналогичный результат можно получить с использованием дифференциальных и инструментальных усилителей, подключив вывод REF к источнику опорного напряжения, как показано на рис. 6.

Схема двунаправленного монитора тока

Рис. 12. Схема двунаправленного монитора тока

Мониторы тока можно использовать и при напряжении источника питания, превышающем максимальное входное синфазное напряжение, как описано в документации [1, 2]. В последнем документе показано использование микросхемы MAX4172 с источником питания напряжением 100–250 В.

Микросхемы — мониторы тока с минимальным значением входного синфазного напряжения, равным нулю, можно использовать для контроля тока в отрицательном полюсе нагрузки, а INA193–INA198 — и для контроля тока в нагрузке, включенной в цепь источника отрицательного напряжения до –16 В.

Некоторые из мониторов тока обеспечивают дополнительные функции. Переключаемое усиление позволяет менять коэффициент передачи монитора «на лету», увеличивая точность измерения в начале шкалы. Наличие вывода отключения дает возможность экономить энергию, когда нет необходимости измерять ток. Встроенный источник опорного напряжения служит для задания либо выходного уровня двунаправленного монитора, либо порога срабатывания встроенных или внешних компараторов.

Микросхема MAX4210 позволяет одновременно контролировать как ток, так и потребляемую нагрузкой мощность, а MAX4211 содержит еще и два компаратора для организации пороговых устройств.

Монитор тока IA2410 может работать и как датчик температуры с переключением из режима монитора тока в режим контроля температуры подачей комбинации импульсов на вход SHDN.

 

Мониторы тока с ШИМ-выходом

Широтно-импульсная модуляция выходного сигнала имеет преимущества при сопряжении монитора тока с микропроцессором. Характеристики микросхем с ШИМ приведены в таблице 5, а пример применения монитора тока IR2175 для контроля тока фазы электродвигателя — на рис. 13.

Схема контроля тока с IR2175

Рис. 13. Схема контроля тока с IR2175

Таблица 5. Мониторы тока с ШИМ-выходом
Прибор Функциональное назначение Диапазон входного напряжения, мВ Синфазное входное напряжение, В Максимальный входной ток, А Полоса пропускания, –3 дБ, кГц Погрешность коэффициента передачи при +25 °С, %, макс Погрешность коэффициента передачи в рабочем диапазоне температур, %, макс Напряжение питания, В Ток потребления, мА, макс Частота выходного сигнала, Гц Рабочий диапазон температур, °С Корпус
International   Rectifier
IR2175 HighASide ±260 0–600   15 5   9,5–20 2,5 100–180 кГц –40…+125 PDIPA8, SOA8
National Semiconductor
LM3812MA1.0 HighASide   2–5,25 ±1   2 4 2–5,25 0,16 12,5–25 –40…+125 SOA8
LM3812MA7.0 HighASide   2–5,25 ±7   2 4 2–5,25 0,16 12,5–25 –40…+125 SOA8
LM3813MA1.0 LowASide   2–5,25 ±1   2 4 2–5,25 0,16 12,5–25 –40…+125 SOA8
LM3813MA7.0 LowASide   2–5,25 ±7   2 4 2–5,25 0,16 12,5–25 –40…+125 SOA8
LM3814MA1.0 HighASide   2–5,25 ±1   3,5 5,5 2–5,25 0,16 100–250 –40…+125 SOA8
LM3814MA7.0 HighASide   2–5,25 ±7   6 8,5 2–5,25 0,16 100–250 –40…+125 SOA8
LM3815MA1.0 LowASide   2–5,25 ±1   3,5 5,5 2–5,25 0,16 100–250 –40…+125 SOA8
LM3815MA7.0 LowASide   2–5,25 ±7   6 8,5 2–5,25 0,16 100–250 –40…+125 SOA8
LM3822MA1.0 HighASide   2–5,25 ±1   2 4 2–5,25 0,15 12,5–25 –40…+85 MSOPA8
LM3822MA2.0 HighASide   2–5,25 ±2   2 4 2–5,25 0,15 12,5–25 –40…+85 MSOPA8
LM3824MA1.0 HighASide   2–5,25 ±1   3 5 2–5,25 0,15 100–250 –40…+85 MSOPA8
LM3824MA2.0 HighASide   2–5,25 ±2   6 8 2–5,25 0,15 100–250 –40…+85 MSOPA8

Следует упомянуть и правила выбора токоизмерительных шунтов. Естественно, что чем меньше сопротивление шунта, тем большее влияние оказывает сопротивление подводящих проводов. Для точных измерений используются четырехвыводные резисторы.

Если особых требований к точности не предъявляется, шунт может быть выполнен в виде дорожки на печатной плате. При этом отклонение сопротивления от расчетного значения в серии изделий может достигать ±5%, кроме того, температурный коэффициент сопротивления меди достаточно велик. Последнее обстоятельство в некоторых случаях не является критичным. Например, микросхемы ZXCT1008–ZXCT1010 имеют отрицательный температурный дрейф коэффициента передачи в положительном диапазоне температур, что в некоторой степени компенсирует положительный температурный коэффициент сопротивления меди.

 

Измерение переменного тока

Linear Technology производит микросхемы прецизионных преобразователей среднеквадратичного значения переменного напряжения в постоянное — LTC1966 и LTC1967, характеристики которых приведены в таблице 6.

Таблица 6. Микросхемы для измерения переменного тока

 

Максимальная амплитуда входного напряжения, В

Максимальный коэффициент формы входного

Погрешность коэффициента передачи, при +25 °С, %,

Погрешность передачи диапазоне температур,

Полоса пропускания (–0,1 %), кГц

Полоса пропускания, –3 дБ, кГц

Напряжение питания, В

Ток потребления, мкА, макс

Рабочий диапазон температур, °С

Корпус

LTC1966

1

4

0,3 (50 Гц…1 кГц)

0,4 (50 Гц…1 кГц)

6

800

2,7–5,5

170

–40…+85

MSOPA8

LTC1967

1

4

0,3 (50 Гц…5 кГц)

0,4 (50 Гц…5 кГц)

40

4000

4,5–5,5

390

–40…+85

MSOPA8

Коэффициент передачи микросхем определяется формулой:

На рис. 14 изображена схема включения LTC1966 для измерения переменного тока с использованием трансформатора тока.

Схема измерения переменного тока с LTC1966

Рис. 14. Схема измерения переменного тока с LTC1966

Большое количество практических схем контроля и регулирования тока применения микросхем-мониторов тока приведено в документах [3, 4].

Существуют и другие микросхемы датчиков тока, основанные на использовании эффекта Холла и «гигантского» магниторезистивного эффекта. Они применяются для бесконтактного измерения тока. Тем не менее, рассмотрение их характеристик и применения выходит за рамки данной статьи.

Литература
  1. AN-39. Current Measurement Applications Handbook. Zetex Semiconductor.
  2. AN-3331. High-Side Current-Sense Amplifier Operates at High Voltage. Maxim Integrated Products.
  3. AN-105. Current Sense Circuit Collection. Linear Technology.
  4. AN-746. High-Side Current-Sense Measurement: Circuits and Principles. Maxim Integrated Products.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *