Измеритель среднего уровня тока

В данной статье представлена разработка устройства измерения среднего уровня тока с диапазоном измерения 0,01–1 А.

Ключевые слова: входной ток, выходное напряжение интегратора, напряжение смещения, шунтирующий резистор.

Для возможного измерения среднее значение тока изначально требуется преобразовать его в напряжение, для этого в данном устройстве будет использоваться шунтирующий резистор R1 (рис. 1).

Рис. 1. Шунтирующий резистор в соединении с токочувствительным резистором

Следующим шагом является добавления токочувствительного усилителя, необходимого для формирования на входе интегратора напряжение, пропорциональное току представленный в формуле:

(1)

Интегратор предназначен для получения на его выходе проинтегрированного значения входного сигнала (рис. 2).

Работа интегратора основана на том, что инвертирующий вход заземлён, согласно принципу виртуального замыкания. Через резистор R1 протекает входной ток I_BX, в тоже время для уравновешивания точки нулевого потенциала, конденсатор будет заряжаться током одинаковым по величине I_BX, но с противоположным знаком. В результате на выходе интегратора будет формироваться напряжение, до которого конденсатор заряжается этим током. Входное сопротивление интегратора будет равно сопротивлению резистора R1, а выходное сопротивление будет определяться параметрами ОУ.

Выходное напряжение интегратора будет считаться по следующей формуле:

(2)

Основным недостатком интегратора на ОУ является явление дрейфа выходного напряжения. В основе данного явления лежит то, что конденсатор С1, кроме заряда входным током заряжается различными токами утечки и смещения ОУ. Последствием данного недостатка является появление напряжения смещения на выходе схемы, которое может привести к насыщению ОУ.

Для устранения данного недостатка может быть применено три способа:

1. Использование ОУ с малым напряжение смещения;
2. Периодически разряжать конденсатор;
3. Шунтировать конденсатор С1 сопротивление RP.

Реализация данных способов показана на рис. 3.

Рис. 3. Устранение дрейфа выходного напряжения интегратора

Включение резистора R_СД между землёй и неинвертирующим входом позволяет снизить входное напряжение смещения, за счёт уравновешивания падения напряжения на входах ОУ, величина R_СД = R1.

Инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный. Резисторы R1 и Rос, должны быть точно равны друг другу (рис. 4).

Рис. 4. Схема инвертора

Для проверки работоспособности схемы используется программа Micro-Cap 11. Данная программа позволяет проводить моделирование аналоговых и цифровых цепей, настраивать параметры используемых моделей элементов и использовать модели производителей электронных компонентов.

Алгоритм измерения:

1) Разряжается ёмкость;

2) Подаётся сигнал запускающий таймер;

3) При завершении заданного времени вычисления среднего значения снимается напряжение с выхода.

Модель схемы измерителя среднего уровня тока показана на рис. 5.

Рис. 5. Модель измерителя среднего уровня тока

Результат имитационного моделирования измерителя среднего уровня тока при токе равном 1 А (рис. 6).

Рис. 6. Результат имитационного моделирования работы измерителя среднего уровня тока

Интегратор постоянно интегрирует постоянную составляющую — напряжение смещения. Таким образом:

(3)

Поэтому сигнал имеет данную формы на выходе инвертора (синий график) при подаче на вход однополярных импульсов.

Вывод

В ходе выполнения работы была проведена разработка измерителя среднего уровня тока с диапазоном измерения 0.01–1 А.

Литература:

1. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е., Промышленная электроника: Учебник для вузов. Под ред. В. А. Лабунцова. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 320 с.
2. Гололобов В. Н. Экскурсия по электронике: Москва 2008. — 585с.
3. Марченко А. Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов / Марченко. — М.: ДМК Пресс, 2008. — 296 с., ил.
4. Хоровиц. П. Искусство схемотехники: справочное руководство/П. Хоровиц, У. Хилл; пер. с англ. —М.: Мир, Бином, 2011. — 704 с.