Монитор токового шунта компенсирует ошибки

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2020

Chau Tran и Paul Mullins, Analog Devices

EDN

Иногда бывает необходимо измерить токи нагрузки до 5 А при наличии синфазного напряжения, достигающего 500 В. Для этого можно воспользоваться высоковольтным монитором токового шунта AD8212 компании Analog Devices, измеряющим напряжение на резисторном шунте. Эту схему можно использовать в приложениях управления соленоидами или моторами. На Рисунке 1 показана схема, в которой преобразование выходного тока микросхемы AD8212 в привязанное к земле выходное напряжение, пропорциональное дифференциальному напряжению на входе микросхемы, выполняется с помощью внешнего резистора и PNP транзистора. PNP транзистор принимает на себя почти все напряжение питания, расширяя диапазон синфазных напряжений до нескольких сотен вольт.

Рисунок 1.	Внешний PNP транзистор позволяет схеме работать при высоких напряжениях.

Внешний резистор R_BIAS безопасно ограничивает напряжение схемы до небольшой доли напряжения питания. Внутренняя цепь смещения и регулятор 5 В поддерживают стабильность выходного напряжения в диапазоне рабочих температур, одновременно минимизируя необходимое количество внешних компонентов. Компенсация тока базы позволяет использовать недорогой PNP транзистор, возвращая его базовый ток I_B и отражая его обратно в сигнальный путь для поддержания точности системы. Напряжение пробоя этого PNP транзистора определяет рабочий диапазон синфазных напряжений схемы.

Специального источника питания для AD8212 нет. Внутренний последовательный регулятор устанавливает на выводе COM «плавающее» напряжение, на 5 В более низкое, чем напряжение источника питания V+, поэтому напряжение питания для измерительной схемы также составляет 5 В. Сопротивление резистора смещения R_BIAS выбирают таким, чтобы проходящего через него тока было достаточно для включения и работы регулятора. При работе с высокими напряжениями ток смещения устанавливают в диапазоне от 200 мкА до 1 мА. Нижняя граница этого тока должна обеспечивать включение схемы смещения, а верхняя зависит от используемого устройства.

Например, при напряжении батареи, равном 500 В, и сопротивлении R_BIAS, равном 1000 кОм, получаем

Выходной ток схемы создает напряжение, приблизительно равное напряжению на выводе СОМ, плюс удвоенное напряжение V_BE внешнего транзистора (напряжение база-эмиттер), или

Все высокое напряжение принимает на себя внешний PNP-транзистор, а все внутренние транзисторы находятся под напряжением менее 5 В, что значительно ниже их пробивного напряжения.

Ток, теряемый в базе PNP транзистора, уменьшает выходной ток AD8212, и соответственно, снижает ток коллектора I_C. Это снижение приводит к ошибке в выходном напряжении. Чтобы исключить ошибку, вносимую базовым током, вместо PNP транзистора можно было бы включить полевой транзистор, но это увеличивает стоимость схемы. Поэтому в микросхему добавлена цепь компенсации базового тока, позволяющая использовать дешевый PNP транзистор без потери точности измерений. В рассматриваемом случае транзисторы токового зеркала, внутренние резисторы AD8212 и усилитель A₁ образуют схему рециркуляции базового тока.

Рисунок 2.	Внутренняя компенсация тока базы уменьшает ошибку.

На Рисунке 2 изображены графики зависимости ошибки выходного тока от тока нагрузки для случаев наличия и отсутствия схемы компенсации тока базы. Использование схемы компенсации снижает общую ошибку с 1% до 0.4%. Сопротивление нагрузочного резистора коллектора RL выбирают таким, чтобы коэффициент усиления схемы соответствовал диапазону входных напряжений подключенного к нему АЦП. При максимальном дифференциальном входном напряжении 500 мВ максимальный выходной ток составит 500 мкА. При сопротивлении нагрузки 10 кОм максимальное напряжение на входе АЦП будет равно 5 В.