Некоторым токоизмерительным усилителям приходится противостоять частым перенапряжениям. Например, токоизмерительный усилитель, контролирующий токи разряда аккумуляторной батареи автомобиля, должен выдерживать высоковольтные импульсы «сброса нагрузки», возникающие при отключении нагрузки от аккумулятора. Это вызывает индуктивные выбросы и перенапряжения на выходе генератора. Если эти импульсы превышают допустимое синфазное напряжение усилителя, усилитель требует внешней схемы защиты.

Для такой схемы нужна только пара стабилитронов, пара резисторов и еще один диод (Рисунок 1). Диапазон синфазных напряжений взятого для примера усилителя MAX4372 составляет от 0 до 28 В. Этого более чем достаточно для измерения напряжения автомобильного аккумулятора, которое меняется от 6 В до 18 В. Однако при сбросе нагрузки напряжения могут достигать 35 В и сохраняться в течение 0.5 с, что значительно превышает абсолютный максимум в 30 В, установленный для входного напряжения усилителя. Таким образом, усилитель нуждается во внешней защите.

Рисунок 1.	Несколько компонентов, добавленных к токоизмерительному усилителю, могут защитить схему от синфазных напряжений выше 30 В.

Избежать дополнительных погрешностей от смещения входного напряжения можно, выбирая различные номиналы входных защитных резисторов R1 и R2 (2 кОм и 1 кОм, соответственно), компенсируя, тем самым, влияние неравных токов смещения усилителя. Подробнее о выборе номиналов этих резисторов можно прочитать в [1]. Стабилитроны Z1 и Z2 имеют пробивное напряжение 24 В и способны рассеивать мощность, достаточную, чтобы выдерживать втекающие токи примерно 11 мА, которые проходят через них в условиях 35-вольтового пика при сбросе нагрузки. (Напряжение на последовательном 1-килоомном резисторе R2 равно напряжению сброса нагрузки 35 В за вычетом напряжения ограничения 24 В).

На Рисунке 2 показана осциллограмма выходного напряжения усилителя при наличии 35-вольтовых импульсов сброса нагрузки без диода D1. При нормальном напряжении аккумуляторной батареи выходное напряжение V_OUT = 1 В соответствует ожидаемому (входное напряжение V_SENSE = 50 мВ и коэффициент усиления равен 20). Возникающее при сбросе нагрузки входное синфазное напряжение ограничивается стабилитронами до 24 В, а выходной сигнал усилителя после нескольких выбросов устанавливается на уровне 0 В.

Рисунок 2.	Без диода D1 на выходе усилителя возникают выбросы, обусловленные изменениями измеряемого дифференциального напряжения.

Поскольку пробивные напряжения двух стабилитронов обычно немного различаются из-за производственного разброса параметров и разных рабочих токов (Z1 работает при 5.5 мА, а Z2 – при 11 мА), разность (V_Z1 – V_Z2) проявляет себя как изменяющееся измеряемое дифференциальное напряжение, что вызывает нежелательные выбросы на выходе. Для их устранения можно добавить диод D1 последовательно с Z1 или Z2. Диод во время сброса нагрузки делает дифференциальное напряжение V_Z1-V_Z2 положительным или отрицательным, что, в свою очередь, смещает выход усилителя к одной из шин питания (V_CC или GND), тем самым, предотвращая выбросы на выходе во время переходных процессов на входе. Подключение диода последовательно со стабилитроном Z1 смещает выход усилителя к напряжению положительной шины питания (Рисунок 3). Подключение диода последовательно со стабилитроном Z2 смещает выход усилителя к напряжению отрицательной шины питания.

Рисунок 3.	С диодом D1, включенным последовательно со стабилитроном Z1, выход усилителя смещается к напряжению отрицательной шины питания.

1. Datasheet Maxim MAX4372F