Монитор тока шунта, предназначенный для диапазона синфазных напряжений от -270 В до +270 В

9 июля 2012 10
Измерение тока в высоковольтных линиях является неотъемлемой задачей во многих областях современной промышленности. Представленная схема позволяет точно измерить ток в линии в присутствии высоких напряжений.

Измерение тока через резистор широко используется как в измерениях со стороны высокого напряжения, так и со стороны низкого напряжения. Обычно измеряется ток, проходящий через низкоомный резистор Rs, включенный последовательно с нагрузкой. При протекании тока через резистор на нем падает напряжение Vs, которое и измеряется. Величина сопротивления шунта выбирается в зависимости от диапазона токов нагрузки, необходимых для приложения, а также от компромисса между точностью измерения малых сигналов и максимально возможного падения напряжения. Большие значения Rs обеспечивают большую точность при измерении малых токов, в то время как меньшие значения Rs минимизируют падение напряжения в линии питания.

Одной из главных проблем в измерении тока является измеряемое напряжение Vs, которое очень мало в сравнении с большим напряжением в линии питания. Сегодня многие схемы специально разработаны для работы либо со стороны высокого, либо со стороны низкого напряжения с диапазоном синфазных напряжений менее 65 В. Питаясь от источника ±15 В, схема, показанная на рисунке 1, прекрасно подходит для измерения токов, как со стороны высокого, так и со стороны низкого напряжения, при этом работая при экстремально высоких синфазных напряжениях. Первый каскад этой схемы - это разностный усилитель AD629, особенностью которого является очень широкий входной диапазон синфазных напряжений, что позволяет произвести точные измерения малых разностных сигналов в присутствии высоких синфазных напряжений вплоть до ±270 В. Второй каскад - это усилитель AD8226, который преобразует выходное напряжение к диапазону, который необходим для конкретного приложения.


Рисунок 1. Схема измерения тока в присутствии высоких синфазных напряжений

В общем, такой смешанный измерительный усилитель выполняет две функции: устранение высокого синфазного напряжения и преобразование малого разностного измеряемого напряжения к удобному для использования уровню с несимметричным выходом с опорой относительно земли.

Заметим, что Rs = 0,1 Ом обеспечивает полный размах напряжения в 1 В на шунте при токе в нагрузке, равном 10 А. Rs1 используется для измерения тока со стороны высокого напряжения, в то время как Rs2 используется для измерений со стороны низкого напряжения. Усилительный каскад обеспечивает достаточный уровень выходного напряжения относительно земли. Например, подавая для точных измерений допустимое входное напряжение в 500 мВ максимум и дополнительно усилив его в 10 раз получим, что это входное напряжение в 500 мВ с синфазной составляющей напряжения от -270 В до +270 В преобразуется в выходное напряжение размахом 5 В относительно земли, согласуясь с диапазоном высокопроизводительных АЦП.

При использовании методов измерения с помощью резистора, шунт должен быть специально разработан для этого применения, так как условия работы, такие как температура и уровни токов, могут вызвать деградацию резистора.


Рисунок 2. Характеристики схемы при экстремально высоких синфазных напряжениях

На рисунке 2 представлены характеристики схемы. Верхняя кривая - это выходная ошибка в процентах при экстремально низком синфазном напряжении в -270 В, нижняя кривая – ошибка при другом экстремуме в +270 В.

Для работы с однополярным источником питания в 5 В может использоваться резистивный делитель напряжения для получения опорного напряжения, равного половине напряжения питания системы. Опорное напряжение выхода системы для однополярных сигналов может быть равно GND, для биполярных сигналов - половине напряжения источника питания. Заметим, что при подаче на Ref +2,5 В, диапазон синфазных напряжений схемы составляет от -27,5 В до 32,5 В. При соединении Ref и GND, диапазон синфазных напряжений составляет от +20 В до +80 В (только для измерений со стороны высокого напряжения).

Автор: Чоу Трэн (Chau Tran), Analog Devices [chau.tran@analog.com]

Комментарии

  • Антонов:
    20 июля, 2012
    Схема хорошая, но слитком медленный усилитель - полоса 500 кГц и 2,1 В/мкс маловато будет, если меряется ток импульсного преобразователя. К тому же КОСС с ростом частоты падает быстро. Схемв имеет довольно ограниченное применение - если полоса частот измеряемого тока не больше 40-50 кГц
    • DGK:
      17 июля, 2012
      "подавая для точных измерений допустимое входное напряжение в 500 мВ максимум и дополнительно усилив его в 10 раз получим, что это входное напряжение в 500 мВ с синфазной составляющей напряжения от -270 В до +270 В преобразуется в выходное напряжение размахом 5 В относительно земли"
      Получается КОСС = бесконечности? Не очень понятно.
      • Иван:
        31 июля, 2012
        В данном случае про КОСС не упоминается. Говорится лишь, что разница сигналов в 500 мВ (в присутствии большой синфазной составляющей) усиливается до 5 В.
        • DGK:
          03 августа, 2012
          Но разве синфазное напряжение не вызывает ошибку и в дифференциальном сигнале? Как же графики на рисунке "? Допустим из рисунка 2 следует что ошибка может быть 0,5%, тогда вместо дифф сигнала 500 мВ может быть сигнал 497,5 мВ?
          • Иван:
            17 октября, 2012
            Совершенно верно! Синфазное напряжение вызывает ошибку в выходном сигнале усилителя AD629. В зависимости от синфазного напряжения при входной разности напряжений в 500 мВ на выходе разностного усилителя мы будем видеть сигнал 500±2,5 мВ (±0,5%).
      • Артем:
        16 июля, 2012
        В силовых цепях бывает много кратковывременных всплесков перенапряжений. В даташит на АД629 не нашел есть ли там защита по входу от перенапряжений, и если есть, какие броски напряжения, какой длительности она выдерживает
        • Иван:
          31 июля, 2012
          В техническом описании на AD629 есть эти данные в разделе Absolute Maximum Ratings (таблица 2). Данный усилитель может работать при входном напряжении ±300 В в непрерывном режиме и ±500 В в течение 10 секунд (это связано с тепловыделением встроенных резисторов). В любом случае дополнительная защита по входу никогда не помешает.
          • DGK:
            03 августа, 2012
            Не знаю о чем спрашивал автор вопроса, но думаю, он имел в виду микросекундные пики раза в 3-5 превышающие напряжение сети. Как усилитель их выдержит? Наверное, про эти пики и писал Чанов, когда говорил об огрнаичителях всплесков
            • Иван:
              17 октября, 2012
              Да, Леонид Чанов прав. Усилитель AD629 микросекундные выбросы напряжения в 3-5 раз превышающие напряжение сети не выдержит, поэтому в зависимости от задачи может потребоваться дополнительная защита входов разностного усилителя.
          • Леонид Чанов:
            17 июля, 2012
            Думаю, если Вы не нашли эти данные, то такой защиты нет, и не следует применять подобную схему без использования защитных диодов, трансилов, керамических ограничителей всплесков и т.д. Я уже писал в одном из комментариев, что к подобным статьям по применению, исходным проектам и т.д. надо подходить с большой осторожностью. Предлагается не готовая схема, а идея схемы, которую разработчик должен приспособить для своего проекта, добавив в нее необходимые компоненты.

          Оставить комментарий