Схема датчика тока изолированного оптического измерителя

Схема датчика тока-01

Схема датчика тока: логарифмы и экспоненты в оптическом измерителе переменного и постоянного тока


Схема датчика тока, теоретически разработка схемы измерения тока, обычно основанной на простом измерении падения напряжения на резисторе, установленном последовательно с измеряемым током, выглядит совсем простой задачей. Это в теории. Но на практике осложняющие факторы иногда объединяются и делают эту задачу гораздо более интересной.

Например, чтобы минимизировать потери КПД и мощности в токоизмерительном резисторе, его сопротивление обычно ограничивают миллиомами, из-за чего падение напряжения на нем составляет милливольты, которые надо извлекать из синфазного напряжения шин питания, составляющего десятки (иногда сотни) вольт, в компании с большими шумовыми компонентами. Эти проблемы проектирования нашли отражение в разработке многих инновационных схемных решений и специализированных устройств, в том числе их имеет и данная схема датчика тока (52 последних выпускаются одной только Analog Devices)!

Схема датчика тока — оптически изолированная топология

В предлагаемой статье решение этой классической проблемы рассматривается под другим углом. Здесь, с использованием только стандартных компонентов, реализована оптически изолированная (и, следовательно, устойчивая к синфазным помехам) топология измерения тока, совместимая с источниками как постоянного тока любой полярности, так и переменного тока. Получившуюся схема датчика тока можно с уверенностью назвать универсальным устройством, который, к тому же, дешев, поскольку в нем нет деталей стоимостью более $1. Теперь посмотрим, как это работает (Рисунок 1).

Схема датчика тока-1

Резисторный шунт Rs выполняет роль обычного токоизмерительного резистора, устанавливающего масштабный коэффициент для полной шкалы, равный 0.1/Rs = 20 ампер. В этом примере Rs = 5 мОм. Однако, выбрав подходящий резистор, можно задать почти любой ток полной шкалы. Напряжение Vs, падающее на Rs, выбирается последовательно соединенными светодиодами оптопар 01 и 02 в соответствии с вариантом классического уравнения диода (полученным из вольт-амперных характеристик, приведенных в техническом описании изготовителя):

Читайте также:  Инвертор преобразователь напряжения 5v в -48v

formula-sensora-1

Сверхточная функциональность светодиодов

Светодиоды, несмотря на их замечательную способность излучать свет, все же остаются не более чем просто диодами, а их логарифмическая/экспоненциальная функциональность является очень точной, если прямой ток IF ограничен значениями в пределах примерно от 0.0001 до 0.1 от максимально допустимой величины. Аналогичный критерий применим и для расчетов на полезном участке логарифмической/экспоненциальной характеристики диода 1N4001, также используемого в этой схеме датчика тока.

Благодаря встречно-последовательному включению светодиодов оптронов 01 и 02, фиксированный член 1.45 В вычитается и исчезает из уравнения диода, оставляя ток смещения Ib (номинальное значение 2 мА), распределяющийся между диодами в соотношении, определяемом резистором Rb:

formula-sensora-2

которое изменяется от 1.00 при Vs = 0 (нулевой ток) до:

formula-sensora-3

при Vs=100мВ(20А х 0.005Ом).

Обратите внимание, что отношение токов не зависит от точной величины Ib, а значит, и от изменения напряжения питания. Также обратите внимание на возможность вычисления отношения при изменении направления тока, например:

formula-sensora-4

при Vs = -100MB.

Измерения биполярного и переменного тока

Хотя с изменением температуры эти числа будут меняться, на точность это не влияет, поскольку светодиоды в своем общем корпусе отслеживают температуры друг друга. Более того, поскольку излучатели LTV-844 в действительности состоят из двух идентичных светодиодов, включенных антипараллельно, изменение полярности приложенного напряжения просто переключает излучение с одного светодиода на другой, не затрагивая функцию измерения тока. Это обеспечивает упомянутые ранее возможности измерения биполярного и переменного тока.

Уровни излучения светодиодов оптронов 01/02 пропорциональны отношению IF2/IF1, и такое же соотношение связывает коллекторные токи выходных фототранзисторов (коэффициент передачи тока оптрона при прямом токе 1 мА равен примерно 80%), которые вводятся в диоды D1 и D2, генерируя прямые напряжения Vd1 и Vd2 в соответствии с уравнением диода для 1N4001:

Читайте также:  Источник идеального напряжения

formula-sensora-5

Суммирование с учетом знаков дает:

formula-sensora-6

Затем этот сигнал вычитается из идентичного логарифма отношения, вычисляемого диодами D3, D4 и усилителем А2, взятого из опорных оптронов 03 и 04, управляемых усилителем обратной связи A3. Конечным результатом является то, что при обнулении выхода А2 усилитель A3 неявно вычисляет сигнал управления для 03/04, который точно и линейно отражает сигнал токоизмерительного резистора на 01/02.

Дополнительный интегрирующий конденсатор

Этот сигнал масштабируется усилителем А4 и становится конечным выходным сигналом, отображающим величину тока. Дополнительный интегрирующий конденсатор Cavg фильтрует выпрямленное двухполупериодное напряжение, получаемое в результате измерения переменного тока. Без конденсатора Cavg полоса пропускания датчика равна примерно 50 кГц, а с конденсатором, подавляющим пульсации 60 Гц до уровня менее 1%-порядка0.8Гц(RC = 200мс).

Полярность выходного сигнала показывает, проходит ли ток вперед от входного порта к выходному (положительный), или обратно от выхода к входу (отрицательный). Это полезно, например, при контроле состояния аккумулятора, когда простое интегрирование выходного сигнала будет отражать соотношение разряда и заряда.

Согласование и коррекция производственного разброса параметров активных устройств обеспечиваются подстроенными резисторами НОЛЬ (смещение) и КАЛИБРОВКА (усиление). Оптимальная компенсация температурной зависимости членов уравнения диода достигается за счет теплового контакта диодов D1-D4, вычисляющих отношение логарифмов, и общего корпуса оптронов 01-04. Задача упрощается тем фактом, что единственное назначение аналогового вычисления, выполняемого диодами D1-D4, заключается в определении знака.

Заключение

Получившийся датчик тока — недорогой, универсальный и надежный — способен выдерживать броски тока, более чем в 20 раз превышающие ток полной шкалы (ограничивающим фактором является способность Rs к поглощению тепла) и большие синфазные напряжения (LTV-844 рассчитан на 5 кВ!).