Усилитель токового шунта на MAX4372
Иногда в системе приходится замерять не только напряжение, но и ток. И если с напряжением все просто — подаем на АЦП, если необходимо, пропускаем через делитель, то с током ситуация куда более хитрая.
Прямого способа просто замерить ток нет, не пихать же стрелочный прибор (сила Ампера, отклоняющая стрелку имеет прямую зависимость от тока) в схему, но можно замерить падение напряжения на известном сопротивлении и по закону Ома (I = U/R) вычислить искомую величину. Такое сопротивление зовется шунтом.
Но и тут возникают вилы. Чтобы получить сколько нибудь заметное для АЦП микроконтроллера напряжение (в идеале в пике до Vref АЦП контроллера) надо иметь довольно большое сопротивление.
Скажем, для получения 5 вольтового падения на токе в 5А нам потребуется резистор в 1Ом. Что очень много, ведь в этом случае на нем высадится P = I2R тепловых потерь. Тебе нужна двадцатипятиваттная грелка в системе? Наверное нет. Можно, конечно, уменьшить сопротивление шунта в десять раз. Скажем до 0.1 Ом, тогда можно уложиться в такую вот бандуру:
Он пропустит через себя 7А, выдав падение в 0.7Вольта. Не шик, конечно, но уже ощутимо. А то и еще меньше, 0.01 Ома, тогда все будет совсем крошечным. Достаточно вместо шунта обычного кусочка проволочки или дорожки на плате. Но напряжение с него тогда будет еще меньше. 0.07 вольта. Что уже задолбаешься замерять и отделять от шумов АЦП.
Что делать? Однозначно усиливать. Можно собрать небольшую схемку на операционном усилителе (обычный ОУ с отрицательной обратной связью, включенный по схеме неинвертирующего усиления), но лучше взять специализированный девайс — усилитель токового шунта. Благо сейчас их делают все подряд. У меня вот в закромах нашелся какой-то MAX4372F. Его и применим.
Итак, это козявка в SOT-23-5, мелкая и никаких лишних выводов. В общем, то что доктор прописал.
Эта микруха бывает трех видов, отличается только коэффициентом усиления.
- MAX4372T — 20V/V
- MAX4372F — 50V/V
- MAX4372H — 100V/V
Схема включения проще некуда. Никаких внешних элементов, ну разве что конденсаторчик на питание:
Подключил к своему блоку питания, способному выдать до трех ампер. Да к амперметру и вольтметру. Питание самого усилка взял пятивольтовое, с Pinboard. В качестве нагрузки взял батарею из трех 5 Ом резисторов, соединенных параллельно.
В качестве шунта взял ножку от светодиода, первое что под руку попалось. Сопротивление шунта нам не известно, знаем только то, что оно чертовски мало. А замерить его в домашних условиях без микроомметра нереально. Даже мой, весьма неплохой, мультиметр видит его на грани статистической погрешности. Но в нашем случае можно обойтись банальной калибровкой, загоняя в него известный ток и замеряя выходное значение. А там можно построить график, вычислить коэффициенты и по нему уже высчитывать любой ток.
При практически нулевом токе (50мА, меньше мой БП не дает) напряжение на выходе усилка 0.138 вольта. Примем его за ноль, чтобы не мозолило глаза. Начинаем повышать ток, попутно глядим на напряжение:
В общем, до десятка ампер вполне можно промерять на данном шунте, а если надо замерять большие токи, то можно взять либо шунт потолще, либо микросхемку с меньшим усилинием. Для меньших токов аналогично. Хорошая микросхемка, мне нравится 🙂
Ну и, конечно же, даташитик на эту чудную микрушку
З.Ы.
О хитростях прецезионного подключения разных токоизмерительных резисторов я уже выкладывал статью «Измерительные цепи».
СХЕМА АМПЕРМЕТРА
Профессиональные инструменты для измерения больших токов, достаточно дорогие, так что имеет смысл собрать схему амперметра самому, тем более ничего тут сложного нет.
Электрическая схема мощного амперметра
Схема, как вы можете видеть, очень простая. Её работа уже испытана многими производителями, и большинство промышленных амперметров работают таким же образом. Например, вот эта схема тоже использует данный принцип.
Рисунок платы мощного амперметра
Особенность заключается в том, что в данном случае используется шунт (R1) с сопротивлением очень низкого значения — 0.01 Ом 1% 20W — это дает возможность рассеять совсем немного тепла.
Работа схемы амперметра
Работа схемы довольно проста, при прохождении определенной тока через R1 будет падение напряжения на нём, его можно измерить, для этого напряжение усиливается операционным усилителем OP1 и поступает далее на выход через контакт 6 на внешний вольтметр, включенный на пределе 2V.
Настройки будут заключаться в установке ноля на выходе амперметра при отсутствии тока, и в калибровке, сравнивая его с другим, образцовым инструментом для замера тока. Питается амперметр стабильным симметричным напряжением. Например от 2-х батареек по 9 вольт. Для измерения тока подключите датчик к линии и мультиметр в диапазоне 2V — смотрите показания. 2 вольта будет соответствовать току 20 ампер.
Испытания схемы амперметра
С помощью мультиметра и нагрузки, например небольшой лампочки или сопротивления, мы будем измерять ток нагрузки. Подключим амперметр и получаем показания тока с помощью мультиметра. Рекомендуем выполнить несколько тестов с разными нагрузками, чтобы сравнить показания с эталонным амперметром и убедиться, что все работает правильно. Скачать файл печатной латы можете здесь.
Каталог радиолюбительских схем. Вольтметр на операционном усилителе.
Каталог радиолюбительских схем. Вольтметр на операционном усилителе.Вольтметр на операционном усилителе
При налаживании различной электронной аппаратуры часто требуется вольтметр переменного и постоянного напряжения с высоким входным сопротивлением, работающий в широком интервале частот. Именно такой и относительно несложный прибор удалось сконструировать на ОУ К574УД1А, обладающем высокими характеристиками (частотой единичного усиления более 10 МГц и скоростью нарастания выходного напряжения до 90 В/мкс).
Принципиальная схема вольтметра приведена на рис. 1.
Он позволяет измерять переменное и постоянное напряжения в 11 поддиапазонах (верхние пределы измерений указаны на схеме). Интервал частот — от 20 Гц до 100 кГц в поддиапазоне “10 мВ”, до 200 кГц в поддиапазоне “30 мВ” и до 600 кГц в остальных. Входное сопротивление — 1 МОм. Погрешность измерения постоянного напряжения — ±2, переменного — ± 4 %. Дрейф нуля после прогрева (20 мин) практически отсутствует. Потребляемый ток — не более 20 мА.
Прибор содержит прецизионный выпрямитель на ОУ DA1 с диодным мостом VD1—VD4 в цепи ООС. Выпрямленное напряжение поступает на микроамперметр РА1. Такое включение позволяет получить максимально линейную шкалу вольтметра. Резистор R14 служит для балансировки ОУ, т. е. для установки нулевых показаний прибора.
Прецизионный выпрямитель использован для измерения не только переменного, но и постоянного напряжения, что уменьшило число переключении при переходе с одного режима работы на другой. Кроме того, это упростило процесс измерения постоянного напряжения, так как отпала необходимость изменять полярность включения микроамперметра РА1. Знак измеряемого постоянного напряжения определяет индикатор полярности на ОУ DA2, включенном по схеме масштабного усилителя и нагруженном светодиодами HL1, HL2. Чувствительность устройства такова, что оно индицирует полярность напряжения при отклонении стрелки микроамперметра всего на одно деление шкалы.
Режим работы прибора выбирают переключателем SA1, поддиапазон измерения — переключателем SA2, изменяющим глубину ООС, охватывающей ОУ DA1. При этом в цепь ООС могут быть включены две группы резисторов: R7—R11 (при постоянном напряжении на входе) и R18, R19, R21— R23 (при переменном). Номиналы последних подобраны таким образом, что показания прибора соответствуют эффективным значениям синусоидального
переменного напряжения. Корректирующие цепи R17C8, R20C9 уменьшают неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) прибора на поддиапазонах “10 мВ” и “30 мВ”. Дроссель L1 компенсирует нелинейность АЧХ операционного усилителя DA1. Кратность пределов измерения единице и трем обеспечивается входными частотнокомпенсированными делителями на элементах R1—R6, С2— С7. Изменение коэффициента деления происходит одновременно с переключением резисторов в цепи ООС микросхемы DA1 переключателем SA2.
Питается прибор от импульсного источника (рис. 2). За основу взято устройство, описанное в статье В. Зайцева, В. Рыженкова “Малогабаритный сетевой блок питания” (“Радио”, 1976, № 8, с. 42, 43). Для повышения стабильности и снижения уровня пульсации питающих напряжений оно дополнено стабилизаторами на микросхемах DA3, DA4 и LC-фильтрами. Можно использовать и другой подходящий стабилизированный источник напряжений ±15 В, а также батарею гальванических элементов или аккумуляторов.
В вольтметре применен микроамперметр М265 (класса точности 1) с током полного отклонения 100 мкА и двумя шкалами (с конечными отметками 100 и 300). Допускаемое отклонение сопротивлений резисторов R1—R6, R7—R11, R18, R19, R21—R23 — не более ±0,5 %. Микросхему К574УД1А можно заменить на К574УД1Б, К574УД1В. Дроссели L1—L5 — ДМ-0,1. Трансформатор Т1 намотан на тороидальном магнитопроводе внешним диаметром 34, внутренним 18 и высотой 8 мм из пермаллоевой ленты толщиной 0,1 мм. Обмотки I и IV содержат по 60 витков провода ПЭВ-2 0,1, II и III — по 120 (ПЭВ-2 0,2), а V и VI — по 110 (ПЭВ-2 0,3) витков.
Для уменьшения наводок элементы входного делителя и резисторы цепи ООС R7—R11, R18, R19, R21—R23 смонтированы непосредственно на контактах переключателя SA2. Остальные детали размещены на плате, закрепленной на резьбовых шпильках-выводах микроамперметра. Микросхема DA1 закрыта латунным экраном. Выводы питания 5 и 8 ОУ непосредственно у микросхемы DA1 соединяют через конденсаторы емкостью 0,022…0,1 мкФ с общим проводом. С переключателями SA1, SA2 ее выводы 3 и 4 соединены экранированными проводами. Транзисторы VT1, VT2 источника питания установлены на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности около 6 см2. Источник необходимо заэкранировать.
Налаживание начинают с источника питания. Если его блокинг-генератор не самовозбуждается, генерации добиваются подбором резистора R26. После этого подстроечными резисторами R28, R30 устанавливают напряжения +15 и —15 В, подключают к источнику налаживаемый прибор и убеждаются в отсутствии самовозбуждения микросхемы DA1. Если это все же происходит, то между ее выводами 6 и 7 включают конденсатор емкостью 4…10 пФ и проверяют отсутствие самовозбуждения на всех поддиапазонах измерения постоянного и переменного напряжения.
Далее прибор переключают на поддиапазон измерения переменного напряжения “1 В” и подают на вход синусоидальный сигнал частотой 100 Гц. Изменяя его амплитуду, добиваются отклонения стрелки на среднюю отметку шкалы. Увеличивая частоту входного напряжения, подстроечным конденсатором С2 добиваются минимальных изменений показаний прибора в рабочем интервале частот. То же самое делают на поддиапазонах “10 В” и “100 В”, изменяя емкость конденсаторов С4 и С6 соответственно. После этого по образцовому вольтметру проверяют показания прибора на всех поддиапазонах.
Следует отметить, что при отсутствии микросхемы К574УД1А в вольтметре можно использовать ОУ К140УД8 с любым буквенным индексом, однако это приведет к некоторому сужению рабочего интервала частот.
г. Омск
В. ЩЕЛКАНОВ
РАДИО № 4, 1985 г., с. 48.
Усилитель токового шунта AD8418 / Деталька / Сообщество EasyElectronics.ru
Измерение тока нагрузки — задача вполне типовая. Самый простой способ при небольших токах заключается во включении шунта на «нижнюю» сторону, т.е. после нагрузки. Затем сигнал с этого шунта усиливается каким-нибудь ОУ и подается на АЦП контроллера. Минусом такого решения является ошибка измерения выходного напряжения (если это, например, ЛБП), которая равна падению напряжения на шунте. Конечно можно (и нужно) учитывать это ошибку в самом МК, а можно просто поставить шунт на «верхнюю» сторону. AD8418 усиливает сигнал с шунта при любом включении, имеет постоянный коэффициент усиления 20 и требует для питания от 2.7 до 5.5 В. При этом напряжение в цепи шунта может быть до 70 В. Идеально для лабораторных блоков питания.Сразу о печальном, раздобыть эту замечательную микросхему не так-то просто. В известных мне магазинах ее просто нет. Поэтому пришлось заказать сэмплы. Заодно в список включил цифровые потенциометры на 10 и 100 кОм, но о них в другой раз.
Пришло все вот в такой упаковке
Одна маленькая букашка и есть AD8418. Вторая на макетке.
Переводить даташит, пожалуй, не буду. Скажу лишь, что микросхема предназначена для измерения постоянного и переменного тока. Второй меня пока мало интересует, а вот с первым разберемся поподробней.
AD8418 позволяет получать выходной сигнал либо относительно земли, либо — линии питания. Для выбора режима необходимо подтянуть выводы Ref1 и Ref2 к соответствующей линии. Для оцифровки сигнала с помощью МК разумеется удобнее первый вариант. Собственно так я и сделал:
Питание на сабж берется с моей отладочной платки. А цепь нагрузки, в которую входит резистор 2 Ом (шунт) и переменник 1 кОм, запитана 18-вольтовым источником. Выход усилителя идет на 1 канал АЦП Atmega16.
Для начала я снял несколько значений АЦП при разных токах
Составил таблицу, вычислил делитель… Заодно померил погрешность вычисления тока с моим делителем. От моего китайского мультиметра значения отличались не более, чем на 1%. И то на границах диапазона АЦП. В основной части погрешность не превышала 0.5%.
Зашил делитель в МК
Функция вывода числа округляет до целого, так что на самом деле показания еще точнее.
Вывод: микрушка мне очень понравилась. Планирую ее применить в своем ЛБП, когда-нибудь я его все-таки доделаю. Жаль с доставабельностью все очень печально, в моем городе даже аналогов не найти. Постараюсь не попалить раньше времени)
Небольшой update:
Как уже в комментариях сказал Zlodey, схема действительно состоит из пары деталек. Вот она:
Резистор 150 Ом для ограничения максимального тока. Ну и я надеюсь, мне простят недорисованную мегу)
Из особенностей этого усилителя хочу еще раз отметить питание от 2,7 В. Далеко не все усилители работают при таком напряжении. Кроме того, AD8418 практически не имеет смещения выходного сигнала. Если цепь шунта разомкнута, АЦП уверенно покажет 0. А на максимальный сигнал выдаст честные 1023 кванта.
