Wzmacniacze pomiarowe prądu do zastosowań w ograniczonej przestrzeni

Wzmacniacze pomiarowe prądu znajdują szerokie zastosowanie np. w zarządzaniu bateriami, zabezpieczeniach nadprądowych i wykrywaniu usterek. Mierzą one i wzmacniają spadek napięcia na rezystorze bocznikowym, odgrywając istotną rolę w ochronie obwodów.

Cenione ze względu na niewielkie rozmiary i niski koszt, wzmacniacze pomiarowe prądu są stosunkowo proste do wdrożenia, ale wiążą się z nimi pewne wyzwania, takie jak ograniczenia szerokości pasma, minimalizacja szumów elektrycznych i zakłóceń oraz wysoka odpowiedź napięciowa sygnału wspólnego. Tak więc dobór odpowiedniego wzmacniacza pomiarowego prądu jest ważny dla powodzenia danego zastosowania.

Określenie właściwie dopasowanego rozwiązania rozpoczyna się od zidentyfikowania kluczowych charakterystyk zastosowania:

• Dopuszczalny zakres prądu i maksymalne napięcie wejściowe tolerowane przez urządzenie
• Warunki środowiskowe i dopasowanie niezawodnego działania do żądanego zakresu temperatur
• Specyfikacje wzmacniacza odpowiadające na ograniczenia projektowe, w tym dotyczące rozmiarów obudowy, szerokości pasma, prądu spoczynkowego i dokładności
• Wybór pomiaru prądu pomiędzy stroną wysoką i niską, w zależności od wymagań dotyczących dokładności, izolacji i łatwości wdrożenia

Firma Analog Devices Inc. (ADI) oferuje zestaw wzmacniaczy pomiarowych prądu przeznaczonych do szerokiego zakresu zastosowań, które wykonują dwukierunkowy pomiar prądu w różnych zastosowaniach przemysłowych i motoryzacyjnych (kwalifikacja AEC-Q100).

Urządzenia AD8410A i AD8411A mogą być używane zarówno do pomiarów prądu zmiennego, jak i stałego, zostały stworzone do pracy w szerokim zakresie temperatur przy minimalnym błędzie wzmocnienia i charakteryzują się szerokim zakresem roboczych napięć zasilania, aby spełnić wymagania różnych systemów. Oba wykorzystują wbudowany rdzeń dostrajający, który zapewnia typowy dryft niezrównoważenia ±0,26µV/°C w całym zakresie temperatur roboczych i zakresie napięć sygnału wspólnego, bez potrzeby stosowania zegarów automatycznego zerowania i przerywania (chopping), co mogłoby skutkować wyższymi szumami i innymi negatywnymi zjawiskami.

Urządzenie AD8410A (ilustracja 1) ma początkowe wzmocnienie 20 V/V i szerokość pasma 2,2 MHz.

Ilustracja 1: wzmacniacz pomiarowy prądu AD8410A firmy ADI. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc).

Urządzenie AD8411A (ilustracja 2) charakteryzuje się początkowym wzmocnieniem 50 V/V i szerokością pasma 2,7 MHz, zapewniając większą elastyczność i czułość.

Ilustracja 2: wzmacniacz pomiarowy prądu AD8411A firmy ADI. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc).

Urządzenia AD8410A/11A mogą być używane do pomiaru prądu zarówno po stronie wysokiej, jak i niskiej. Są odpowiednie do pomiaru prądu w fazie lub po stronie wysokiej w różnych zastosowaniach, takich jak sterowanie silnikami, dwukierunkowe przetwornice prądu stałego, sterowanie elektromagnesami oraz monitorowanie szyn zasilających.

Można je również stosować do pomiaru prądu linii w napędach z bezszczotkowymi silnikami prądu stałego (BLDC) w celu zmierzenia prądu płynącego przez uzwojenia silnika, co ma kluczowe znaczenie dla precyzyjnego sterowania i optymalizacji parametrów działania.

Wysokonapięciowe wzmacniacze pomiarowe prądu o dużej szerokości pasma przeznaczone są do precyzyjnych pomiarów prądu, umożliwiają precyzyjne sterowanie momentem obrotowym oraz stosowanie mniejszych silników i cewek indukcyjnych, oraz inteligentniejszych zastosowań sterowania silnikami. Dzięki wykorzystaniu unikalnej architektury mogą precyzyjnie wzmacniać małe napięcia na różnicowym boczniku prądu w obecności szybko zmieniających się napięć sygnału wspólnego.

Szersze pasmo pozwala na dokładniejsze pomiary prądu przy wysokich częstotliwościach przełączania w silnikach prądu stałego, serwerach sztucznej inteligencji (AI) oraz przetwornicach prądu stałego. Skutkuje to wyższą dokładnością przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), zwłaszcza w zastosowaniach o wyższych częstotliwościach przełączania z modulacją szerokości impulsu (PWM) i wysokimi napięciami.

Podczas gdy wyższe częstotliwości przełączania często mogą skutkować zwiększonymi zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI), przy projektowaniu wzmacniaczy pomiarowych prądu AD8410A/11A przewidziano funkcje, które pozwalają radzić sobie z tym wyzwaniem. Omawiane wzmacniacze charakteryzują się wysokim współczynnikiem tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) 123 dB w zakresie od -2 V do +70 V, co pomaga eliminować szumy i poprawia parametry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), dzięki czemu sprawdzają się w zaszumionych środowiskach elektrycznych, w których zakłócenia elektromagnetyczne mogą wpływać na ich dokładność. Są one mniej podatne na zakłócenia intermodulacyjne i minimalizują potrzebę użycia dodatkowych filtrów.

Urządzenia AD8410A i AD8411A mają te same opcje obudów i funkcje, takie jak zabezpieczenie nadnapięciowe oraz funkcja włączania/wyłączania. Zostały one zaprojektowane do pracy przy pojedynczym zasilaniu od 2,9 V do 5,5 V w przemysłowym zakresie temperatur od -40°C do +125°C oraz są dostępne w kompaktowych 8-odprowadzeniowych obudowach SOIC_N (Standard Small Outline Package) oraz 8-odprowadzeniowych obudowach MSOP (Mini Small Outline Package) z odsłoniętym polem poprawiającym parametry termiczne.

W systemach sterowania silnikami, które wymagają precyzyjnego pomiaru prądu i sprzężenia zwrotnego — takich jak napędy przemysłowe, robotyka lub pojazdy elektryczne — urządzenia AD8410A/11A mogą obsługiwać wysokie napięcia sygnału wspólnego z zasilania silnika i zapewniać liniowy sygnał wyjściowy proporcjonalny do prądu płynącego przez rezystor bocznikowy. Urządzenia AD8411A można stosować, gdy wymagane jest wyższe wzmocnienie, w przypadku mniejszych rezystorów bocznikowych lub niższych zakresów prądów.

Systemy zarządzania bateriami, które monitorują prądy ładowania i rozładowywania ogniw lub pakietów baterii, mogą skorzystać na możliwości pomiaru napięcia różnicowego na rezystorze bocznikowym, połączonym szeregowo z baterią przez urządzenie AD8410A/11A, zapewniając dokładny i szybki pomiar prądu. Urządzenia AD8411A można używać, gdy wymagana jest wyższa rozdzielczość w przypadku baterii o niskim natężeniu lub dużej pojemności.

W przypadku obwodów monitorowania zasilania i obwodów ochronnych, które wykrywają stany nadmiernego prądu lub zwarcia, urządzenia AD8410A/11A mogą wykrywać prąd płynący przez odbiornik lub przełącznik i dostarczać sygnał na potrzeby wykrywania usterek, lub sterowania sprzężeniem zwrotnym. Urządzenie AD8411A może być używane, gdy w danym zastosowaniu wymagany jest krótszy czas odpowiedzi lub wyższa czułość.

Płytki ewaluacyjne wzmacniaczy pomiarowych prądu firmy ADI

Projektanci mogą skorzystać z płytek ewaluacyjnych firmy ADI, które pozwalają na ewaluację działania wzmacniaczy pomiarowych prądu AD8410 i AD8411 w różnych scenariuszach.

Płytki AD8410AR-EVALZ (SOIC; ilustracja 3), AD8410ARM-EVALZ (MSOP), AD8411AR-EVALZ (SOIC) oraz AD8411ARM-EVALZ (MSOP) zaprojektowano z myślą o łatwej konfiguracji różnych trybów pracy i obciążeń.

Ilustracja 3: płytka ewaluacyjna AD8410AR-EVALZ firmy ADI. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc).

Dzięki wspomnianym płytkom projektanci mogą w praktyce zbadać cechy i zalety wzmacniaczy pomiarowych prądu AD8410 oraz AD8411. Do płytek można przylutować bocznik o maksymalnym standardowym rozmiarze 2818, a także wybrać jednokierunkowy lub dwukierunkowy tryb pomiaru prądu.

Podsumowanie

Wzmacniacze pomiarowe prądu AD8410 i AD8411 firmy ADI są uniwersalnymi urządzeniami o wysokich parametrach działania, które mogą być używane w szerokim zakresie zastosowań wymagających dokładnych i niezawodnych pomiarów prądu. Wzmacniacze te mogą być stosowane w pomiarach prądu po stronie wysokiej i niskiej, a także mogą poprawić sprawność, bezpieczeństwo oraz niezawodność produktów elektronicznych, które wymagają precyzyjnego i niezawodnego monitorowania prądu, niskiego napięcia niezrównoważenia, niskiego dryftu, dużej szerokości pasma oraz wysokiego współczynnika tłumienia sygnału współbieżnego.

Źródło: Wzmacniacze pomiarowe prądu do zastosowań w ograniczonej przestrzeni

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!