Obousměrný proudový snímací zesilovač lze postavit pomocí dvojice jednosměrných zesilovačů, ale je to složitý a časově náročný proces. Obousměrný proudový snímací zesilovač obsahuje rail-to-rail operační zesilovač, který slučuje dva výstupy do jednoho výstupu nebo je nutné použít dva vstupy analogově-digitálního převodníku (ADC) v mikrokontroleru, a to vyžaduje přídavný kód. Dále jsou zapotřebí další komponenty, které zabírají místo na desce plošných spojů.

Naštěstí tu jsou integrované, vysokorychlostní a přesné obousměrné proudové zesilovače s vnitřními nebo externími bočníky s nízkou indukčností. Tento článek se bude věnovat vlastnostmi a implementaci obousměrného proudového zesilovače. Představíme si příklady od STMicroelectronics , Texas Instruments a Analog Devices, a to včetně klíčových parametrů a charakteristik, referenčních návrhů a vývojových sad.

Řešení pomocí dvou jednosměrných proudových zesilovačů

Obousměrný proudový zesilovač lze sestavit pomocí dvou jednosměrných proudových zesilovačů (obrázek 1). Analogový integrovaný obvod MAX4172ESA+T (na obrázku 1 vlevo) neobsahuje interní zatěžovací rezistor, a proto využívá externí rezistory R_a a R_b, zatímco integrovaný obvod MAX4173TEUT+T (na obrázku 1 vpravo) obsahuje vnitřní zatěžovací rezistor o hodnotě 12 kΩ, který převádí proud na napětí.

Obrázek 1: Obousměrné řešení pomocí dvou jednosměrných proudových zesilovačů lze realizovat pomocí externích snímacích rezistorů (vlevo) nebo s interním rezistorem (vpravo). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

I když MAX4173TEUT+T nepotřebuje dva externí rezistory, je nutné zapojit do zpětné vazby kondenzátor o hodnotě 1 nF, aby se stabilizovala regulační smyčka.

V obou případech jsou výstupní proudy ze dvou proudových zesilovačů sjednoceny pomocí univerzálního operačního zesilovače MAX4230AXK+T. Obě řešení mají počet součástek vyšší, než by bylo potřeba při použití jediného integrovaného obousměrného proudového zesilovače. Kromě většího počtu součástek je rozložení desky plošných spojů složitější, protože oba jednosměrné proudové zesilovače musí být umístěny v těsné blízkosti rezistoru V_{SENSE .}

Využití obousměrného proudového zesilovače

Obousměrný proudový zesilovač se používá v třífázovém servomotorovém systému k určení okamžitých proudů vinutí všech tří fází, bez jakýchkoli dalších výpočtů (obrázek 2).

Obrázek 2: V aplikaci třífázového servomotoru mohou být dva obousměrné proudové zesilovače připojeny přes snímací rezistor R _SENSEΦ1 pro fázi 1 a přes rezistor R _SENSEΦ2 pro snímání proudu ve třetí fázi. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Kirchhoffův zákon říká, že součet proudů v prvních dvou vinutích se rovná proudu ve třetím vinutí. Obvod používá dva obousměrné proudové zesilovače MAX40056TAUA+ k měření proudu ve dvou fázích, které se sčítají v operačním zesilovači MAX44290ANT+T. Protože všechny tři zesilovače mají stejné referenční napětí provádí se poměrové měření.

Další využití je v audio zesilovače třídy D, kde lze pomocí obousměrného proudového zesilovače INA253A1IPW od Texas Instruments měřit proud v reproduktoru s dostatečnou přesností (obrázek 3).

Obrázek 3: V návrzích audio zesilovače třídy D lze k diagnostice použít obousměrný proudový zesilovač INA253. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Měření proudu v reálném čase tekoucí přes reproduktor lze použít pro diagnostiku a optimalizaci výkonu zesilovače a k určení klíčových parametrů reproduktorů:

• Odpor cívky
• Impedance reproduktoru
• Rezonanční frekvence a maximální impedance na rezonanční frekvenci
• Okolní teplota reproduktoru v reálném čase

Rozložení desky a použití bočníku

Parazitní odpor a indukčnost jsou problémem v obvodech pro snímání proudu. Také nadměrný odpor pájky (cínu) a parazitních stop může vést k chybám snímání. Často se používají proudové snímací rezistory se čtyřmi svorkami. Pokud rezistor se čtyřmi svorkami není k dispozici, je vhodné použít tzv. Kelvinovo zapojení pro snímání (Obrázek 4).

Obrázek 4: Kelvinovo zapojení, kde snímací stopy by měly být co nejblíže pájecím ploškám snímacího rezistoru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Umístění Kelvinových snímacích stop co nejblíže ke snímacímu rezistoru minimalizuje parazitní odpory. Větší rozestupy Kelvinových stop způsobí chybu měření způsobenou dodatečným odporem stopy.

Výběr snímacího rezistoru je důležitým aspektem snížení parazitní indukčnosti. Indukčnost samotného pouzdra by měla být minimalizována co nejvíce, protože chyba napětí je úměrná zátěžovému proudu. Obecně platí, že drátové rezistory mají nejvyšší indukčnost a standardní rezistory s kovovou fólií mají indukčnost střední úrovně. Pro snímání proudu se obecně doporučují rezistory s kovovým filmem, které mají velikou nízkou indukčnost.

Hodnota bočníku je kompromisem mezi dynamickým rozsahem a ztrátovým výkonem. Pro snímání vysokého proudu se doporučuje použít bočník s nízkou hodnotou, aby se minimalizoval rozptyl tepla (I²R). Při snímání nízkého proudu lze použít vyšší hodnotu odporu pro minimalizaci dopadu offsetového napětí na snímací obvod.

Většina proudových zesilovačů se při měření proudu spoléhá na externí bočníky, ale existují proudové zesilovače, které mají integrované proudové bočníky. I když použití integrovaných bočníků může vést ke kompaktnějším návrhům s menším počtem součástí, existuje několik omezení. Menší flexibilita, protože hodnota bočníku je předem určena, potřeba vyššího klidového proudu ve srovnání s externím bočníkem a množství proudu, které lze měřit, je omezeno schopnostmi vnitřního bočníku.

Vysokonapěťové přesné obousměrné proudové zesilovače

TSC2011IST od STMicroelectronics snižuje ztrátový výkon tím, že využívá nízkoodporové externí proudové bočníky (obrázek 5). Je navržen tak, aby poskytoval přesné měření proudu v řízení motoru, řízení elektromagnetů, přístrojovém vybavení, testování a řízení procesů.

Obrázek 5: TSC2011IST obsahuje vypínací pin SHDN pro úsporu energie a pracuje v průmyslovém teplotním rozsahu -40 až 125 °C. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

TSC2011IST má zesílení 60 voltů/volt, integrovaný filtr elektromagnetického rušení (EMI) a odolnost vůči elektrostatickému výboji (ESD) 2 kV (podle normy JEDEC JESD22-A114F). TSC2011 dokáže detekovat pokles napětí již od 10 mV v plném rozsahu. Velká hodnota zesílení, šířka pásma 750 kHz a rychlost přeběhu 7,0 V/µs zajišťují vysokou přesnost a rychlou odezvu.

K dispozici je vývojová deska STEVAL-AETKT1V2, díky níž lze rychle začít používat TSC2011IST (obrázek 6). Deska dokáže snímat proud v širokém rozsahu napětí, a to od -20 do +70 V. 

Vlastnosti TSC2011IST:

• Chyba zisku: max. 0,3 %
• Offset drift: max. 5 µV/°C
• Posun zisku: max.10 ppm/°C
• Klidový proud: 20 µA v režimu vypnutí

Obrázek 6: Vývojová deska STEVAL-AETKT1V2 obsahuje hlavní desku a doplňující destičku obsahující TSC2011IST. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Obousměrný proudový zesilovač s integrovaným bočníkem

INA253A1IPW od Texas Instruments obsahuje nízkoindukční proudový bočník s hodnotou odporu 2 mΩ a přesností 0,1%. Podporuje napětí v běžném režimu až do 80 V (obrázek 7). INA253A1IPW obsahuje také vylepšené obvody pro potlačení PWM. Díky tomu lze nepřetržitě měřit proudu v reálném čase v motorových aplikacích a ovládání elektromagnetických ventilů. Interní zesilovač se vyznačuje nulovým driftem a CMRR >120 dB DC a CMRR 90 dB AC.

Obrázek 7: Obousměrný proudový zesilovač INA253A1IPW má vnitřní proudový bočník a může trvale měřit až ±15 A při okolní teplotě od –40 do +85 °C. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

K dispozici je vývojová deska INA253EVM s několika testovacími body s přímím přístupem k pinům oboustranného proudového zesilovače (obrázek 8). Tato vývojová deska je dvouvrstvá a má rozměry 61 x 107 mm.

Obrázek 8: Dvouvrstvá vývojová deska INA253EVM, kde spodní vrstva není osazena žádnými součástkami, jelikož obsahuje pevnou měděnou zemnící plochu, která poskytuje nízkoimpedanční cestu pro zpětné proudy. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

INA253EVM obsahuje všechny podpůrné obvody a funkce, které lze podle potřeby překonfigurovat:

• Tři obousměrné proudové zesilovače INA253A1IPW
• Snadný přístup ke všem pinům
• Uspořádání a konstrukce desky podporuje proud ±15 A přes INA253 CSA v celém rozsahu teplot –40 až +85 °C

Obousměrné proudové zesilovače vyhovující AEC-Q100

Pro monitorování proudů v aplikacích s ovládáním motoru s plným můstkem, spínaných zdrojích, solenoidech a bateriových sadách v automobilech lze použít LT1999IMS8-20#TRPBF od Analog Devices (obrázek 9).

Obrázek 9: LT1999IMS8-20#TRPBF je obousměrný proudový zesilovač v aplikaci pro monitorování proudu kotvy s plným můstkem. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF vyhovuje standardu AEC-Q100 a obsahuje režim vypnutí pro snížení spotřeby energie. Zesilovač používá externí bočník pro měření směru i množství protékajícího proudu. Vytváří proporcionální výstupní napětí, které je vztaženo na střed mezi napájecím napětím a zemí. Lze použít externí napětí pro nastavení referenční úrovně.

LT1999IMS8-20#TRPBF přejde do vypnutého stavu s nízkou spotřebou energie s odběrem asi 3 μA,  když je na pin V_SHDN (Pin 8) přiveden signál o velikosti alespoň 0,5 V.

Vstupní piny (+IN a –IN) odebírají přibližně 1 nA, pokud je předpětí v rozsahu 0 až 80 voltů (bez přiloženého rozdílového napětí). Citlivost na okolní rušení je snížena interním diferenciálním filtrem s dolní propustí 1. řádu pro potlačení EMI, který pomáhá potlačit vysokofrekvenční signály mimo šířku pásma zesilovače.

Pro experimentování s řadou proudových zesilovačů LT1999 nabízí Analog Devices demonstrační desku 1698A. Tato deska zesiluje úbytek napětí na integrovaném rezistoru, přes který prochází měřený proud a vytváří obousměrné výstupní napětí, které je úměrné tomuto proudu. Je možné si vybrat ze tří možností pevného zisku; 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) a 50 V/V (DC1698A-C).

Obousměrný proudový zesilovač s potlačením PWM

Pro potlačení vstupních hran PWM signálu použitého pro řízení indukční zátěže jako jsou solenoidy a motory lze použít MAX40056TAUA+ (obrázek 10). Tento zesilovač již byl dříve zmíněný na obrázku 2 a zvládne rychlosti přeběhu ±500 voltů/µs a vyšší. Má typický CMRR 60 dB (50 voltů, ±500 voltů/µs vstup) a 140 dB DC. Rozsah napětí je od -0,1 V do +65 V a obsahuje ochranu proti indukčnímu zpětnému rázu až do -5 voltů.

Obrázek 10: MAX40056TAUA+ obsahuje interní 1,5 V referenci, vylepšené potlačení PWM a integrovaný interní komparátor pro detekci kladného i záporného nadproudu (vlevo dole, řízeno vstupem CIP). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

MAX40056TAUA+ má interní 1,5 V referenci, kterou lze použít pro různé účely:

• Řízení diferenciálního analogového digitálního převodníku
• Offset výstupu pro zobrazení směru snímaného proudu
• Zdroj proudu do externích zátěží

Lze použít buď interní nebo externí referenci k nastavení prahu pro vypnutí integrovaného nadproudového komparátoru, který poskytuje okamžitý signál o nadproudové poruše.

Vývojová sada MAX40056EVKIT# poskytuje osvědčenou platformu pro vývoj vysoce přesných, vysokonapěťových obousměrných proudových zesilovačů pro solenoidové pohony a ovládání servomotorů.

Závěr

Rychlé a přesné monitorování proudu je nutností v celé řadě aplikací. Od automobilového průmyslu, automatizaci továren, robotiky až po správu napájení serverů, audio zesilovačů třídy D a lékařské systémy. V mnoha případech je zapotřebí obousměrné snímání proudu. K dispozici je celá řada integrovaných obousměrných proudových zesilovačů a jejich přidružené vývojové platformy, které pomohou rychle a efektivně implementovat přesné obousměrné měření proudu.

Doporučené odkazy:

• Use Sensorless Vector Control with BLDC and PMS Motors to Deliver Precise Motion Control
• How to Choose and Use Angle Sensors for Power Steering, Motors and Robotics

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.