Linear Technology: Измерение тока – все еще проблема или пара пустяков

Задача по измерению тока в цепи стояла всегда. Особенно это важно в энергосберегающих системах, системах с батарейным питанием и в различных мониторинговых системах. В каждой из задач величина тока может колебаться от миллиампер до десятков, а то и сотен ампер. В одних устройствах ток течет только в одном направлении, в других он двунаправленный.

Многие фирмы, занимающиеся аналоговой схемотехникой, решали задачу по-своему. Кто-то выпускал микросхемы для конкретных задач, кто-то пытался выпускать универсальные микросхемы. Фирма Linear Technology (далее LT) также не оставила в стороне эту задачу. В России фирма LT пока еще не очень популярна. Это связано лишь с одной причиной — поздним появлением на российском рынке. Тем не менее, высочайшее качество продукции заставляет требовательного российского потребителя все чаще обращать внимание на этого производителя, тем более что предлагаемый ассортимент продукции перекрывает весь спектр аналоговой схемотехники.

Для решения задачи, связанной с измерением тока в цепи, фирма LT предлагает микросхемы LT1787/LT1787HV. Это две идентичные микросхемы, отличающиеся лишь рабочим напряжением. Микросхема LT1787 работает при напряжении питания от 2,5 до 36 В, в то время как микросхема LT1787HV — от 2,5 до 60 В (аббревиатура HV означает высокое напряжение). По остальным параметрам они абсолютно идентичны.

Микросхема LT1787 — это законченный измерительный высокоточный усилитель верхнего типа (рис. 1). Эта микросхема производит мониторинг двунаправленного тока, который протекает через внешний измерительный резистор. Токовый выход или выход по напряжению позволяют определять направление и величину измеряемого тока. Динамический диапазон измерений составляет более 12 двоичных разрядов со сверхнизким входным напряжением смещения 40 мкВ. Постоянный коэффициент усиления, который всегда равен 8, задан внутренними высокоточными резисторами. Для уменьшения помех входного сигнала предусмотрена возможность фильтрации за счет установления конденсатора между выводами FIL– и FIL+. Основная формула расчета параметров приведена ниже.

Основные технические параметры:

• входное напряжение смещения: 75 мкВ (макс.);
• напряжение питания до 60 В (LT1787HV)
• 12-разрядный динамический диапазон;
• рабочий ток 60 мкА;
• внешний измерительный резистор задается пользователем;
• измерение двунаправленного тока;
• входная фильтрация шумов;
• доступно в 8-выводных корпусах SO и MSOP;
• рабочий температурный диапазон от –40 до +125 °С.

На рис. 2 показано, как LT1787 используется с разделенным источником питания. Вывод VBIAS подключен на землю, и выходной сигнал появляется на выводе VOUT. При протекании тока от VS+ к VS– выходное напряжение на VOUT оказывается положительным, при обратном протекании тока напряжение на выходе становится отрицательным. На рис. 2 показан дополнительный выходной конденсатор С3, соединяющий выход VOUT с землей. Этот конденсатор может быть использован как фильтр выходного сигнала перед прохождением в другую часть схемы.

На рис. 3 LT1787 используется с однополярным включением, где средняя точка задается внешним источником опорного напряжения LT1634. Выходной сигнал VOUT изменяется относительно VBIAS, что позволяет измерять как положительный, так и отрицательный ток, протекающий через резистор измерения. Выбор источника опорного напряжения не является критичным, но необходимо учитывать возможность перенасыщения внутренней схемы микросхемы.

На рис. 4 показана LT1787, работающая с АЦ-преобразователем LTC1286. Эта схема позволяет измерять униполярный ток с 12-битным разрешением. Вывод –IN АЦ-преобразователя смещен на один вольт с помощью резистивного делителя R1 и R2. Это напряжение возрастает тогда, когда измеряемый ток возрастает, увеличивая напряжение на выводах –IN и +IN АЦ-преобразователя. LTC1286 является АЦП последовательного приближения. Точность измерения ухудшается, если во время цикла преобразования происходит изменение измеряемого тока. Фильтрующий конденсатор с FIL+ на FIL– так же, как и фильтрующий конденсатор с VBIAS на VOUT может быть необходимым, если измеряемый ток изменяется больше чем на один младший разряд за время преобразования.

На рис. 5 показан выход LT1787, буферизированный с помощью операционного усилителя, настроенного на преобразование тока в напряжение. Это решение идеально подходит для мониторинга очень низкого напряжения питания. Выход VOUT микросхемы LT1787 удерживается равным опорному напряжению, которое подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Выход операционного усилителя может изменяться в пределах от нуля до напряжения питания ОУ. Преобразование тока в напряжение так же работает и при двуполярном напряжении питания.

Микросхема LT1787 может быть использована во всех режимах работы с внешним резистором, который используется вместо внутреннего резистора ROUT, равного 20 кОм. Когда используется внешний резистор, необходимо вывод VBIAS оставлять неподключенным, либо закорачивать на вывод VOUT. Тем самым из схемы исключается внутренний резистор ROUT.

Коэффициент усиления равен gm × ROUT, где gm — это крутизна LT1787, которая равна 400 мкА/В. Если нужно сделать коэффициент передачи равным 40, то можно использовать внешний резистор 100 кОм вместо внутреннего ROUT 20 кОм:

Приведенные примеры показывают универсальность данной микросхемы, область применения которой перекрывает широкий спектр задач. Варьируя внешними компонентами, можно обеспечить решение любой задачи по измерению тока, а использование миниатюрных корпусов практически не скажется на габаритно-весовых характеристиках изделия.

Мы рассказали только об одном из продуктов компании Linear Technology. Одним измерителем тока фирма LT не ограничивается. С полным перечнем продукции, предлагаемой фирмой, можно ознакомиться на сайте www.linear.com.