Измерение тока через резистор широко используется как в измерениях со стороны высокого напряжения, так и со стороны низкого напряжения. Обычно измеряется ток, проходящий через низкоомный резистор Rs, включенный последовательно с нагрузкой. При протекании тока через резистор на нем падает напряжение Vs, которое и измеряется. Величина сопротивления шунта выбирается в зависимости от диапазона токов нагрузки, необходимых для приложения, а также от компромисса между точностью измерения малых сигналов и максимально возможного падения напряжения. Большие значения Rs обеспечивают большую точность при измерении малых токов, в то время как меньшие значения Rs минимизируют падение напряжения в линии питания.
Одной из главных проблем в измерении тока является измеряемое напряжение Vs, которое очень мало в сравнении с большим напряжением в линии питания. Сегодня многие схемы специально разработаны для работы либо со стороны высокого, либо со стороны низкого напряжения с диапазоном синфазных напряжений менее 65 В. Питаясь от источника ±15 В, схема, показанная на рисунке 1, прекрасно подходит для измерения токов, как со стороны высокого, так и со стороны низкого напряжения, при этом работая при экстремально высоких синфазных напряжениях. Первый каскад этой схемы — это разностный усилитель AD629, особенностью которого является очень широкий входной диапазон синфазных напряжений, что позволяет произвести точные измерения малых разностных сигналов в присутствии высоких синфазных напряжений вплоть до ±270 В. Второй каскад — это усилитель AD8226, который преобразует выходное напряжение к диапазону, который необходим для конкретного приложения.
Рисунок 1. Схема измерения тока в присутствии высоких синфазных напряжений
В общем, такой смешанный измерительный усилитель выполняет две функции: устранение высокого синфазного напряжения и преобразование малого разностного измеряемого напряжения к удобному для использования уровню с несимметричным выходом с опорой относительно земли.
Заметим, что Rs = 0,1 Ом обеспечивает полный размах напряжения в 1 В на шунте при токе в нагрузке, равном 10 А. Rs1 используется для измерения тока со стороны высокого напряжения, в то время как Rs2 используется для измерений со стороны низкого напряжения. Усилительный каскад обеспечивает достаточный уровень выходного напряжения относительно земли. Например, подавая для точных измерений допустимое входное напряжение в 500 мВ максимум и дополнительно усилив его в 10 раз получим, что это входное напряжение в 500 мВ с синфазной составляющей напряжения от -270 В до +270 В преобразуется в выходное напряжение размахом 5 В относительно земли, согласуясь с диапазоном высокопроизводительных АЦП.
При использовании методов измерения с помощью резистора, шунт должен быть специально разработан для этого применения, так как условия работы, такие как температура и уровни токов, могут вызвать деградацию резистора.
Рисунок 2. Характеристики схемы при экстремально высоких синфазных напряжениях
На рисунке 2 представлены характеристики схемы. Верхняя кривая — это выходная ошибка в процентах при экстремально низком синфазном напряжении в -270 В, нижняя кривая – ошибка при другом экстремуме в +270 В.
Для работы с однополярным источником питания в 5 В может использоваться резистивный делитель напряжения для получения опорного напряжения, равного половине напряжения питания системы. Опорное напряжение выхода системы для однополярных сигналов может быть равно GND, для биполярных сигналов — половине напряжения источника питания. Заметим, что при подаче на Ref +2,5 В, диапазон синфазных напряжений схемы составляет от -27,5 В до 32,5 В. При соединении Ref и GND, диапазон синфазных напряжений составляет от +20 В до +80 В (только для измерений со стороны высокого напряжения).
Автор: Чоу Трэн (Chau Tran), Analog Devices [chau.tran@analog.com]