Измерение тока верхнего плеча в схемах с большим синфазным напряжением

28 января

управление двигателемавтоматизациялабораторные приборыST Microelectronicsстатьяинтегральные микросхемы

Николя Опети (STMicroelectronics)

В типовой разработке компании STMicroelectronics показано, каким образом обычный операционный усилитель с однополярным питанием 5 В можно использовать для измерения тока верхнего плеча в схеме с большим синфазным напряжением.

Обычно для измерения тока верхнего плеча используют специализированные усилители, например, семейства TSC10x. Они способны усиливать дифференциальное входное напряжение при наличии значительного синфазного напряжения.

Несмотря на то, что усилители TSC10x могут работать с большими синфазными напряжениями, значительно превышающими напряжение питания, диапазон этих допустимых синфазных напряжений ограничен. Например, для TSC103 максимальное входное синфазное напряжение составляет 70 В.

Давайте рассмотрим, как можно решить эту проблему и измерить ток верхнего плеча с помощью обычного операционного усилителя.

Принципиальная схема и описание

На рисунке 1 представлена схема, построенная на базе обычных операционных усилителей, которая позволяет измерять ток верхнего плеча при наличии большого синфазного напряжения.

Рис. 1. Предлагаемая схема измерения тока верхнего плеча

Рис. 1. Предлагаемая схема измерения тока верхнего плеча

В данной схеме выходное напряжение источника питания V1 составляет 150 В. Основная задача, стоящая перед схемой, заключается в измерении тока верхнего плеча с помощью измерительного шунта (Rsense). Чтобы ограничить мощность, рассеиваемую на шунте, следует использовать шунт с минимально возможным сопротивлением. Если значение сопротивления Rsense мало, то напряжение Vsense, равное произведению Isense × Rsense, также будет небольшим. Чтобы обеспечить высокую точность измерений при небольших токах, необходимо использовать прецизионный операционный усилитель, такой как TSZ121. TSZ121 представляет собой операционный усилитель с чрезвычайно малым входным смещением, не превышающим 8 мкВ во всем диапазоне рабочих температур. Ток смещения для TSZ121 также мал и составляет 40 мкА.

Напряжение с выхода схемы может быть оцифровано с помощью встроенного АЦП микроконтроллера STM32 (с питающим напряжением 3,3 В). Операционный усилитель TSZ121 требует однополярного питания 5 В. В то же время входное синфазное напряжение для данной схемы составляет 150 В.

Чтобы использовать TSZ121 и не повредить его высоким входным напряжением 150 В, в качестве положительного источника питания для первого ОУ (OP1) выступает V1 (Vcc_H). Отрицательное напряжение питания для этого же усилителя формируется с помощью дополнительного стабилитрона с напряжением ограничения 4,7 В (Vcc_L). Таким образом, поскольку Vcc_H = 150 В, а Vcc_L = 145,3 В, то размах питающего напряжения для OP1 составляет 4,7 В.

Резистор Rz ограничивает ток стабилитрона (~5 мА) и обеспечивает возвратный путь для тока смещения TSZ121 (~40 мкА).

Измеряемый ток преобразуется в напряжение Vsense с помощью измерительного шунта Rsense. Далее это напряжение усиливается с помощью измерительной схемы, содержащей операционные усилители и несколько резисторов.

P-канальный МОП-транзистор M1 формирует выходной ток, пропорциональный току, протекающему в Rsense. Далее ток транзистора повторно преобразуется в напряжение с помощью резистора R4. Таким образом, на резисторе R4 будет присутствовать низковольтное напряжение, пропорциональное измеряемому току, но отсчитываемое относительно потенциала земли. Выходное напряжение Vo может быть рассчитано в соответствии с формулой 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 OP2 необходим для буферизации напряжения Vo перед его подачей на вход АЦП. Резистор R5 необходим для защиты встроенных защитных диодов OP2 в случае появления большого тока на входе схемы, например, при пусковых переходных процессах.

Приложение

В этом разделе мы рассмотрим использование предлагаемой схемы в составе системы управления промышленным двигателем с питанием 150 В (рисунок 2).

Рис. 2. Схема измерения тока промышленного двигателя

Рис. 2. Схема измерения тока промышленного двигателя

Максимальный ток, потребляемый двигателем, составляет 100 А. Таким образом, при использовании измерительного шунта с сопротивлением 0,1 мОм максимальное значение напряжения Vsense составит 10 мВ. Максимальное выходное напряжение Vo зависит от напряжения Vsense и выходного тока, протекающего через R4. Поскольку для оцифровки напряжения Vo используется встроенный АЦП микроконтроллера STM32 с питанием 3,3 В, то максимальное значение Vo не должно превышать 3,3 В.

Коэффициент усиления всей системы определяется по формуле 2:

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

Для правильной работы системы необходимо тщательно выбирать номиналы резисторов.

Транзистор должен работать с низким |Vgs|, чтобы не насыщать выход OP1. При увеличении тока |Ids| напряжение |Vds| уменьшается, поэтому |Vgs| должен увеличиваться при уменьшении Vs. Таким образом, напряжение затвора ограничивается нижним порогом насыщения OP1 (Vcc_L) при высоком токе Ids (формула 3):

$$\left |V_{gs\:max} \right | < V_{s}-V_{cc\_L}\\\left|V_{gs\:max} \right| < V_{zener}-\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{sense}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Поскольку использование низкого тока Ids является более предпочтительным, то для получения приемлемого значения Vo лучше выбирать высокое значение сопротивления R4.

Чтобы избежать какого-либо насыщения выходного сигнала операционного усилителя OP1, коэффициент усиления, определяемый отношением R2/R1 (формула 3), не должен быть слишком большим.

Из всего вышесказанного становится ясно, что при выборе номиналов резисторов потребуется компромисс (формула 4):

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

где Vgs max – это значение Vgs, необходимое для обеспечения тока транзистора Ids max = Vo_max/R4, а Vzener = Vcc_H – Vcc_L.

P-канальный МОП-транзистор M1 должен выдерживать максимальное напряжение схемы. В данном случае был выбран BSP2220 с рейтингом напряжения 200 В.

Схема, изображенная на рисунке 2, имеет коэффициент усиления 334.

Анализ погрешностей

Рассмотрим погрешности схемы, представленной на рисунке 2. Стоит отметить, что основными источниками погрешностей являются разброс номиналов резисторов и напряжение смещения операционных усилителей.

Влияние разброса номиналов резисторов

Формула 1 позволяет рассчитать выходное напряжение Vo для идеального случая, когда сопротивления резисторов в точности соответствуют номиналу. К сожалению, в реальной жизни добиться этого невозможно, так как сопротивления резисторов всегда имеют некоторый разброс.

Ошибка усиления, вызванная отклонением резисторов, определяется по формуле 5:

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

Здесь εα – это точность резисторов (R1, R2, R3, R4), а εRshunt – точность измерительного шунта. Можно заметить, что резистор R2 оказывает большее влияние на погрешность, чем другие резисторы. Следовательно, номинал R2 должен быть как можно ниже. В случае с TSZ121 рекомендуемое значение R2 составляет 10 кОм.

Для измерительной схемы, изображенной на рисунке 2, при использовании резисторов с отклонением 1% полная ошибка усиления составит 2,2%. Для получения более высокой точности следует выбирать резисторы с разбросом 0,1%. В этом случае погрешность усиления составит 0,22%.

Обратите внимание, что ошибка, вызванная отклонением сопротивления шунта, добавляется к общей ошибке усиления. Другими словами, если отклонение шунта будет 1%, то ошибка усиления будет больше на 1%.

С учетом вышесказанного можно дать следующие рекомендации:

  • для получения низкого тока Ids следует использовать максимально возможное сопротивление R4 (формула 4);
  • чтобы минимизировать выходную погрешность, следует выбирать минимально возможное сопротивление R2 (формула 5);
  • для достижения требуемого усиления сумма сопротивлений R1 и R3 должна быть высокой и несбалансированной (формула 5). В идеале, чтобы ограничить шум, резистор R1 должен иметь низкое сопротивление,.

Влияние входного напряжения смещения (Vio)

Вторым источником погрешности, который необходимо учитывать, является входное напряжение смещения ОУ (Vio). TSZ121 – усилитель со стабилизацией прерыванием, поэтому его напряжение смещения имеет очень малое значение, составляющее 8 мкВ во всем диапазоне рабочих температур. Тем не менее, даже это небольшое смещение оказывается критичным при работе с низкими токами.

Передаточная функция с учетом Vio описывается формулой 6:

$$V_{out}=\frac{(V_{sense}\pm V_{io1})}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\pm V_{io2},\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

где:

Vio1 – входное напряжение смещения первого операционного усилителя (OP1);

Vio2 – входное напряжение смещения второго операционного усилителя (OP2).

Поскольку TSZ121 имеет чрезвычайно малое входное напряжение смещения, то слагаемое Vio2 в формуле 6 можно опустить.

На рисунке 3 представлен график зависимости полной погрешности от входного напряжения Vsense для схемы, изображенной на рисунке 2, во всем диапазоне температур.

Рис. 3. Выходная ошибка при различных напряжениях Vsense

Рис. 3. Выходная ошибка при различных напряжениях Vsense

Полная ошибка

Чтобы оценить полную ошибку на выходе схемы, необходимо учесть погрешность от разброса сопротивлений резисторов и погрешность, вызванную напряжением смещения ОУ. Расчет выходного напряжения для такого случая может быть выполнен в соответствии с формулой 7:

$$V_{o\:fin}=\frac{I_{sense}\times R_{shunt}}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\times \left[1+\left(\frac{2R_{1}+4R_{2}+2R_{3}}{R_{1}+R_{2}+R_{3}} \right)\times \varepsilon \alpha +\varepsilon R_{shunt}\right] \pm \\ \pm \frac{V_{io}}{R_{1}}\times \frac{R_{4}}{R_{3}}\times (R_{1}+R_{2}+R_{3})\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Ниже на рисунках 4, 5, 6 и 7 изображены зависимости полной ошибки схемы от входного напряжения Vsense при использовании резисторов с отклонением 1% или 0,1%.

На рисунках 4 и 5 представлены графики зависимости полной ошибки схемы от входного напряжения Vsense без учета погрешности шунта.

Рис. 4. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 1%

Рис. 4. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 1%

Рис. 5. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 0,1%

Рис. 5. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 0,1%

На рисунках 6 и 7 представлены графики зависимости полной ошибки схемы от входного напряжения Vsense с учетом погрешности шунта.

Рис. 6. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 1% и шунта Rshunt с разбросом 1%

Рис. 6. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 1% и шунта Rshunt с разбросом 1%

Рис. 7. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 0,1% и шунта Rshunt с разбросом 1%

Рис. 7. Полная погрешность измерений при использовании резисторов с разбросом 0,1% и шунта Rshunt с разбросом 1%

Практические результаты

На рисунке 8 представлен реальный график зависимости полной ошибки схемы, изображенной на рисунке 2, от входного напряжения Vsense. В схеме использовались резисторы с отклонениями 1%. Размах Vsense составил 1…10 мВ.

Рис. 8. Погрешность измерений при 25°C

Рис. 8. Погрешность измерений при 25°C

При проведении испытаний не учитывалась погрешность сопротивления измерительного шунта.

Заключение

Для измерения тока верхнего плеча в высоковольтных схемах обычно используют специализированные усилители, например, из семейства TSC10x. Однако в приложениях с очень большими синфазными напряжениями для этих целей можно использовать обычные операционные усилители с однополярным питанием 5 В.

При измерениях следует учитывать погрешности, возникающие по причине разброса сопротивлений резисторов и из-за наличия входного напряжения смещения ОУ. Для получения высокой точности измерений рекомендуется использовать резисторы с отклонением 0,1%.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков 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
TSC101BILT (ST)
TSC101AILT (ST)
TSC101CILT (ST)
TSC102IPT (ST)
TSC1021BIPT (ST)
TSC1021AIPT (ST)
TSC103IPT (ST)
TSC1021AIYPT (ST)
TSC1031IDT (ST)
TSC1021BIYPT (ST)
TSZ121ILT (ST)
TSZ121ICT (ST)
TSZ122IQ2T (ST)
TSZ122IDT (ST)
TSZ122IST (ST)
TSZ124IQ4T (ST)
TSZ121IYLT (ST)
TSZ122IYST (ST)
TSZ124IPT (ST)
TSZ122IYDT (ST)