Obvody pro měření proudu – E-jádro

Téměř každý elektronik dříve nebo později čelí potřebě měření proudu, například při návrhu laboratorního zdroje nebo nabíječky.

V tomto článku se podíváme na nejoblíbenější schémata, jejich výhody a nevýhody.

Měření proudu v záporném pólu zátěže

Obvod pro měření proudu v záporném pólu zátěže je nejjednodušší a nejrozšířenější. Tento obvod lze nalézt jak v laboratorních napájecích zdrojích, tak v obvodech řízení motoru, ochranných obvodů atd.

Není-li požadována vysoká přesnost měření proudu, zpravidla se pro přesnější měření proudu používá obvod 1b;

V obvodu 1b je rezistor R4 připojen k signálové analogové zemi, rezistory R3 a R1 jsou připojeny přímo k bočníku. Odpor rezistorů R1 a R3, R2 a R4 musí být stejný.

• jednoduchá implementace;
• nízký signál společného režimu;
• nízká výstupní impedance;
• široký rozsah napájecích napětí zátěže;
• nízké náklady.

Tento obvod má jednu nevýhodu – odpor pro měření proudu (shunt) je instalován v záporném pólu zátěže, což ukládá určitá omezení.

Strmost výstupního signálu obvodu 1a je určena vzorcem

Strmost výstupního signálu obvodu 1b je určena vzorcem

V obvodech s jednopólovým napájením, kdy je vyžadována vysoká přesnost měření, je kromě zesílení signálu z bočníku vyžadováno malé předpětí. Pojďme se na tento bod podívat blíže.

U unipolárního zdroje je dost obtížné získat na výstupu operačního zesilovače (op-amp) nulový potenciál i při použití drahých Rail-to-rail operačních zesilovačů, minimální výstupní napětí může být desítky a stovky; milivolty. Protože napětí na výstupu operačního zesilovače neklesá na nulu, nemůžeme správně měřit proud při hodnotách blízkých nule, rozsah měření je „oříznut“ na minimální výstupní napětí.

Schémata 2a a 2b ukazují modifikované schéma lb se zkresleným výstupním signálem.

Možnost 2b je složitější, ale poskytuje o něco vyšší přesnost, navíc se může ukázat jako výhodnější, pokud má zařízení několik měřicích kanálů, v takovém případě operační zesilovač U1B generuje jeden offset pro všechny kanály.

V obvodech 2a a 2b musí být rezistor R5 připojen ke zdroji referenčního napětí, pokud je k dispozici.

Výstupní předpětí obvodu 2a je určeno vzorcem

Posun výstupního signálu obvodu 2b je určen vzorcem

Ve vzorcích (3) a (4) je Uref napětí, ke kterému je připojen R5.

Měření proudu v kladném pólu zátěže

Měření proudu na kladné svorce zátěže je vhodnější, ale je obtížnější.

Nejběžnější obvody pro měření proudu v kladném pólu zátěže jsou uvedeny níže.

Výhody schématu 3a:

• měření proudu v kladném pólu zátěže;
• výstupní signál od 0V.

Nevýhody schématu 3a:

• vysoká úroveň signálu společného režimu;
• vysoká výstupní impedance.

Výhody schématu 3b:

• měření proudu v kladném pólu zátěže;
• nízká výstupní impedance.

Nevýhody schématu 3b:

• vysoká úroveň signálu společného režimu;
• potřeba přesného výběru rezistorů;
• nutnost zkreslení výstupního signálu unipolárním napájením.

V obvodu 3b, podobně jako v obvodu 1b, musí být rezistory R1 a R3, R2 a R4 stejné.

Strmost výstupního signálu obvodů 3a a 3b je určena vzorcem

Společnou a významnou nevýhodou obvodů 3a a 3b je vysoká úroveň signálu v běžném režimu blízko napětí zátěže, z tohoto důvodu je rozsah přípustných napětí zátěže omezen napájecím napětím operačního zesilovače. Existují operační zesilovače, jejichž přijatelná úroveň signálu v běžném režimu může výrazně překročit napájecí napětí operačního zesilovače, například LT1637, ale takové operační zesilovače jsou obtížně dostupné a drahé.

Vysoké úrovně signálu v běžném režimu vedou k významným chybám při použití levných operačních zesilovačů. Typická úroveň potlačení společného režimu u levných operačních zesilovačů je 80 dB, což dává chybu 1 mV na vstupu operačního zesilovače na každých 10 V napětí zátěže, chyba na vstupu operačního zesilovače je zesílena hodnotou zesílení obvodu. (R2/R1).

Pro obvod 3b se situace se souběžným útlumem signálu ukazuje ještě horší kvůli nesouladu odporu rezistoru, takže při použití 1% rezistorů je koeficient útlumu signálu v běžném režimu na úrovni 45 dB, což dává chyba 56 mV na vstupu operačního zesilovače na každých 10 V zátěžového napětí.

Vše však není tak špatné, tyto obvody se vyrábějí v integrované verzi a nazývají se proudovými monitory, například INA225, INA169 atd. Tyto mikroobvody využívají kvalitní operační zesilovače a přesné nastavení odporu rezistoru, díky kterému součinitel útlumu signálu v běžném režimu je 100 dB nebo více, navíc mají Rozšířen rozsah přípustných napětí v běžném režimu.

Proudový měřicí odpor (shunt)

Všechny popsané obvody zesilují signál z proudoměrného rezistoru (shuntu) a je přirozené, že přesnost měření proudu závisí i na kvalitě bočníku.

Manganin (drát a páska) je nejvhodnější pro výrobu bočníků. Výhodou manganinu je, že má velmi nízký teplotní koeficient odporu (TCR) při 10-20 ppm/C a nízkou termoEMF s mědí.

Constantan 30 ppm/C je o něco horší, pokud jde o TCS, ale má relativně vysokou hodnotu termoEMF s mědí, což vede k další chybě měření. Chyba od thermoEMF je nepatrná a při systémovém rozlišení 12 bitů prakticky nepostřehnutelná.

Nejhorší z hlediska TCR jsou drátové rezistory typu KNP (cylindrický) a typu SQP (obdélníkový), s TCR 400 ppm/C, respektive 300 ppm/C. Dokonce i běžné vývodové rezistory s kovovým filmem jsou lepší a mají TCR 100 ppm/C.

Nízké TCR pro bočník je důležité, protože když jím prochází velký proud, je velmi horký, teplota přehřátí bočníku může být 20 stupňů nebo více. Pokud je bočník vyroben z manganinu, pak změna teploty o 20 stupňů povede ke změně odporu bočníku pouze o 0,02-0,04%, změna odporu drátového rezistoru bude 0,6-0,8%, odpor kovového filmu bude 0,2 %.

Běžný multimetr, který má téměř každý radioamatér, dokáže měřit proud pouze do 10 ampérů. Co když ale potřebujete měřit větší proud, několikanásobek nebo dokonce desítkykrát větší než tato hodnota? Všechno je velmi jednoduché a teď se sami přesvědčíte. S tímto trikem změříte téměř jakýkoli proud běžným čínským testerem.

Budete potřebovat následující:

• Jednožilový drát o průřezu 1,5 mm².
• Laboratorní blok.
• Dráty s krokosvorkami.
• Zatížení ve formě žárovek a elektromotoru.

Multimetry na AliExpress se slevou – http://alii.pub/62t1zq

Jak měřit jakýkoli proud běžným multimetrem

Podstata metody spočívá v tom, že si sami vyrobíme ampérmetr z bočníku a mikrovoltmetru, v jehož roli bude multimetr působit.

Odměřte si kus jednožilového měděného drátu. Postačí kus o délce 20 cm.

Pomocí kancelářského nože z něj odstraníme izolaci.

Vodiče bereme pomocí svorek a připojujeme je k multimetru. To není nutné, pouze pro usnadnění pohybu kontaktu po sběrnici.

Základní diagram bude vypadat takto:

Bočník je připojen k jističi. Multimetr je nastaven na režim měření v milivoltech – „200 mV“. Dále provedeme kalibraci. Na laboratorním zdroji nastavíme proud na 1 A.

A pohybem kleští podél bočníku dosáhneme stejných hodnot na zdroji a multimetru.

Pro opakované otestování nastavte blok na 10 A a porovnejte s údaji na testeru.

Všechno funguje dobře. Pro ověření vyzkoušejme náš 100A ampérmetr se zátěží.

Naměřené hodnoty se shodují. Nakonec starou baterii „zkratujeme“.

V důsledku toho byl zkratový proud přibližně 80 A.

Závěrem bych rád řekl, že touto metodou lze měřit jakýkoli proud, stačí zvolit průřez bočníku podle síly měřeného proudu.

Podívejte se na video

Jak vyrobit podsvícení displeje pro čínský multimetr — https://sdelaysam-svoimirukami.ru/7285-kak-sdelat-podsvetku-displeja-dlja-kitajskogo-multimetra.html