Использование прецизионных низковольтных операционных усилителей в высоковольтных измерительных схемах

10 января

учёт ресурсовавтоматизацияуниверсальное применениеST Microelectronicsстатьяинтегральные микросхемы

Николя Опети (STMicroelectronics)

Измерить ток промышленного двигателя с питающим напряжением 150 В при помощи прецизионного операционного усилителя с напряжением питания 5 В – вполне реальная задача. STMicroelectronics предлагает в качестве примера типовую измерительную схему на ОУ TSZ121 и приводит ее инженерный расчет.

Для измерения тока в высоковольтных схемах обычно используют специальные усилители, способные работать со значительными синфазными напряжениями. Но у них есть свои ограничения. Что если синфазное напряжение превышает 100 В? Можно ли при этом выполнять точные измерения? С первого взгляда кажется, что классический операционный усилитель с однополярным напряжением питания 5 В будет абсолютно бесполезным для таких измерительных схем. Однако после добавления нескольких внешних компонентов низковольтный усилитель отлично подходит для выполнения прецизионных измерений тока без каких-либо ограничений по синфазному напряжению.

Описание схемы

Основной задачей рассматриваемой схемы является измерение тока промышленного двигателя с питающим напряжением 150 В (рисунок 1). Измерение тока осуществляется с помощью измерительного шунта. Для получения точных результатов используется прецизионный операционный усилитель с однополярным напряжением питания 5 В.

Рис. 1. Типовая измерительная схема

Рис. 1. Типовая измерительная схема

Может возникнуть вопрос: разве входное напряжение 150 В не сожжет операционный усилитель? Нет, если напряжение шины V1 используется в качестве положительного источника питания (Vcc_H) для первого операционного усилителя, OP_A.

Для получения отрицательного источника питания Vcc_L для усилителя OP_A можно воспользоваться стабилитроном BZT52C4V7S с напряжением ограничения 4,7 В. Таким образом, размах питающего напряжения для OP_A составит 4,7 В, несмотря на то, что Vcc_L = 145,3 В, а Vcc_H = 150 В.

Сопротивление Rz используется для ограничения тока стабилитрона (~ 5 мА) и обеспечения контура возвратного тока операционного усилителя (~ 40 мкА).

Интересующий нас ток двигателя преобразуется в напряжение Vsense с помощью измерительного шунта Rsense. Далее напряжение Vsense подается на усилитель OP_A с резисторами обратной связи R1, R2, R3 и R4.

Выходное напряжение усилителя используется для модуляции сопротивления P-канального МОП-транзистора BSP222. В результате ток, протекающий через резистор R4, оказывается пропорциональным току нагрузки, протекающему через измерительный шунт RSense. При этом напряжение Vo на резисторе R4 можно рассчитать по формуле 1:

$$V_{o}=\frac{V_{sense}}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times \left(R_{1}+R_{2}+R_{3} \right)\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Второй операционный усилитель OP_B необходим для буферизации напряжения Vo. При переходных процессах на входе схемы могут возникать броски напряжения, поэтому для ограничения входного тока OP_B используется резистор R5.

Максимальный ток, потребляемый двигателем, составляет 100 А. Таким образом, при использовании измерительного шунта 100 мкОм максимальное значение Vsense составит 10 мВ. Максимальное напряжение на выходе измерительной схемы зависит от напряжения Vsense и от генерируемого им тока, протекающего через R4. Поскольку для оцифровки выходного сигнала используется встроенный АЦП микроконтроллера, то максимальное выходное напряжение Vo не должно превышать 3,3 В.

К подбору номиналов резисторов следует подходить очень внимательно, чтобы гарантировать нормальную работу схемы. Кроме того, в данной схеме необходимо работать с малыми значениями |Vgs|, при которых не будет происходить насыщение выхода OP_A.

При использовании малых токов Ids можно выбирать более высокий номинал резистора R4.

Чтобы избежать насыщения выхода операционного усилителя, коэффициент усиления, определяемый отношением R2/R1, не должен быть слишком высоким.

При выборе компонентов необходимо учитывать следующее компромиссное условие (формула 2):

$$\left |V_{gs\:max} \right | < V_{zener}-\frac{R_{3}\times (R_{1}+R_{2})}{R_{4}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})}\times V_{o\_max},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Vgs max – напряжение «затвор-исток» транзистора, при котором выходной ток, протекающий через резистор R4, будет отвечать условию Ids max = Vo_max/R4;
  • Vzener = Vcc_H – Vcc_L.

Рассмотрим погрешность, вносимую данной схемой. Погрешность схемы в основном связана с разбросом номиналов резисторов и напряжением смещения усилителей.

Влияние разброса номиналов резисторов

Формула 1 позволяет точно рассчитать выходное напряжение схемы только для случая, когда у резисторов отсутствует разброс номиналов. К сожалению, в реальной жизни номинал резисторов характеризуется некоторой погрешностью.

Ошибка, возникающая из-за погрешности коэффициента усиления, может быть определена с помощью формулы 3:

$$V_{o}=\frac{I_{sense}\times R_{shunt}}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\times \left[1+\left(\frac{2R_{1}+4R_{2}+2R_{3}}{R_{1}+R_{2}+R_{3}} \right)\times \varepsilon \alpha +\varepsilon R_{shunt}\right],\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

где:

  • εα – точность резисторов;
  • εRshunt – точность шунтирующего резистора.

Из формулы 3 видно, что сопротивление R2 оказывает большее влияние на погрешность, чем другие сопротивления. По этой причине необходимо выбирать сопротивление R2 как можно ниже (10 кОм). Сумма сопротивлений R1 и R3 должна иметь высокое значение, а сопротивление R1, наоборот, должно быть как можно меньше, чтобы ограничить шум.

Влияние напряжения смещения Vio

При работе со схемой также следует учитывать погрешность, вносимую напряжением смещения операционных усилителей. В нашем случае использовался усилитель TSZ121 со стабилизацией прерыванием, поэтому для него напряжение смещения Vio оказывается очень низким: всего 8 мкВ во всем диапазоне рабочих температур. Именно напряжение смещения является основным источником погрешности, особенно когда требуется измерять очень маленький ток. Передаточная функция с учетом Vio может быть записана следующим образом (формула 4):

$$V_{out}=\frac{(V_{sense}\pm V_{io1})}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\pm V_{io2},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Vio1 – входное смещение первого операционного усилителя (OP_A);
  • Vio2 – входное смещение второго операционного усилителя (OP1_ B).

Поскольку TSZ121 имеет чрезвычайно малое значение входного напряжения смещения, то величиной Vio2 можно пренебречь.

Чтобы оценить полную погрешность, вносимую данной схемой, следует учесть разброс номиналов и влияние напряжения смещения (формулы 3 и 4). В результате выходное напряжение схемы можно рассчитать по формуле 5:

$$V_{o\:fin}=\frac{I_{sense}\times R_{shunt}}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\times \left[1+\left(\frac{2R_{1}+4R_{2}+2R_{3}}{R_{1}+R_{2}+R_{3}} \right)\times \varepsilon \alpha +\varepsilon R_{shunt}\right] \pm \\ \pm \frac{V_{io}}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

На рисунках 2 и 3 представлены графики температурной зависимости максимальной погрешности схемы с учетом отклонения сопротивления измерительного шунта.

Рис. 2. Погрешность, вносимая схемой при использовании резисторов и измерительного шунта Rshunt с разбросом номиналов 1%

Рис. 2. Погрешность, вносимая схемой при использовании резисторов и измерительного шунта Rshunt с разбросом номиналов 1%

Рис. 3. Погрешность, вносимая схемой при использовании резисторов с разбросом номиналов 0,1% и измерительного шунта Rshunt 1%

Рис. 3. Погрешность, вносимая схемой при использовании резисторов с разбросом номиналов 0,1% и измерительного шунта Rshunt 1%

Заключение

Для измерения тока в высоковольтных приложениях обычно используют специализированные усилители. Однако даже в тех приложениях, где синфазное напряжение превышает 70 В, можно обойтись низковольтными усилителями с однополярным питанием 5 В.

Точное измерение тока можно осуществить с помощью простой схемы, состоящей из прецизионного операционного усилителя, например, TSZ121, стабилитрона, обеспечивающего рабочий диапазон напряжений 5 В, и транзистора, выполняющего сдвиг уровня.

Кроме того, мы учли основные погрешности, вносимые схемой. В частности, погрешности, связанные с разбросом номиналов резисторов и входным напряжением смещения операционных усилителей. Для достижения высокой точности измерений рекомендуется использовать прецизионные сопротивления с отклонением 0,1%.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
TSZ121ILT (ST)
TSZ121ICT (ST)
TSZ121IYLT (ST)
TSZ122IDT (ST)
TSZ122IYST (ST)
TSZ122IQ2T (ST)
TSZ122IST (ST)
TSZ122IYDT (ST)
TSZ124IPT (ST)
TSZ124IQ4T (ST)
TSZ124IYPT (ST)