Опубликовано

Чем измеряют ток

Данная статья объясняет работу умной схемы, которая точно измеряет ток источника питания.

Прежде всего, я должен признать, что заголовок немного вводит в заблуждение. Схема, представленная в данной статье, действительно требует только операционного усилителя, транзистора и трех резисторов. Однако она не является самостоятельным контроллером тока в том смысле, что она не измеряет ток и не инициирует действия, основанные на этих измерениях. Поэтому, возможно, «измеритель тока» будет более точным названием, чем «контроллер тока», но даже «измеритель тока» – не совсем корректное название, так как схема не записывает значения тока или не преобразует их в визуальную индикацию.

В конечном счете, я полагаю, что данная схема представляет собой нечто большее, чем «преобразователь ток-напряжение», но имейте в виду, что она преобразует ток в напряжение таким образом, который совместим с приложениями мониторинга потребляемого тока. Поэтому, может быть, мы должны назвать ее «преобразователь тока в напряжение для приложений мониторинга подачи тока от источника питания» («current-to-voltage converter for power-supply-current-delivery-monitoring applications», или аббревиатура CTVCFPSCDMA). Идеально.

Схема

CTVC…, представленный в данной статье, основан на схеме, найденной в руководстве к применению под названием «Op Amp Circuit Collection», опубликованном (в далеком 2002 году) компанией National Semiconductor. Моя версия выглядит так:

Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная

И моя реализация схемы в LTspice:

Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice

На первый взгляд схема может показаться немного запутанной, но ее работа довольно проста:

  • Ток протекает от источника питания к нагрузке через резистор R1. R1 работает как типовой резистор датчика тока (токовый шунт), и, как и другие токовые шунты, он имеет очень низкое сопротивление, чтобы уменьшить рассеивание мощности и минимизировать его влияние на измерения и схему нагрузки.
  • Напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход операционного усилителя, равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Не позволяйте PNP транзистору отвлекать вас от того факта, что операционный усилитель на самом деле охвачен петлей отрицательной обратной связи. Наличие отрицательной обратной связи означает, что мы можем применить принцип виртуального замыкания, т.е. можно предположить, что напряжение на инвертирующем входе равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Поскольку верхние выводы R1 и R2 подключены к источнику питания, предположение виртуального замыкания говорит нам о том, что на обоих этих резисторах появляется одинаковое напряжение, и, следовательно, ток через R2 равен току через R1. В схеме LTspice, показанной выше, R2 в 1000 раз больше, чем R1, а это означает, что ток через R2 будет в 1000 раз меньше тока через R1.
  • Ток базы биполярного транзистора очень мал, поэтому можно сказать, что ток через R3 более или менее равен току через R2. Таким образом, мы используем R3 для получения напряжения, которое прямо пропорционально току через R2, который, в свою очередь, прямо пропорционален току через R1.

Схема, приведенная ниже, должна помочь понять это объяснение:

Преобразователь тока в напряжение. Принцип действия

Как вы можете видеть, окончательная формула Vвых представляет собой:

\

Что именно делает PNP транзистор?

Вы можете думать о транзисторе либо как о регулируемом клапане, который позволяет операционному усилителю увеличивать или уменьшать ток, протекающий через R2 и R3, либо как об устройстве с переменным падением напряжения, которое операционный усилитель может использовать для установки правильного напряжения в точке Vвых. В обоих случаях конечный результат один и тот же: транзистор является средством, с помощью которого операционный усилитель может заставить напряжение на инвертирующем входе равняться напряжению на неинвертирующем входе.

Транзистор действительно является самой интересной частью данной схемы. Мы часто используем биполярные транзисторы в приложениях «включить или выключить», и важно понимать, что ситуация в данной схеме совершенно иная. Операционный усилитель (конечно с помощью отрицательной обратной связи) на самом деле делает небольшие точные подстройки напряжения эмиттер-база (VЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение VЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).

Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки

Обратите внимание, что все эти напряжения близки к типовому порогу открытия (~0,6 В) для кремниевого PN перехода. Это говорит о том, что операционный усилитель очень тщательно согласовывает пороговую область биполярного транзистора, чтобы обеспечить требуемые (и относительно большие) изменения падения напряжения эмиттер-коллектор. Весь диапазон значений VЭБ составляет всего ~50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного ~4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного ~50 мВ, приведена ниже:

Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база

Эффективность

Реальные реализации данной схемы конечно будут иметь источники ошибок, которые приведут к тому, что связь между током нагрузки и выходным напряжением отклонится от приведенной выше идеальной формулы. Даже схема LTspice не совсем идеальна из-за реалистичного поведения, реализованного в модели биполярного транзистора (и, возможно, в модели операционного усилителя). Однако, если у вас есть резисторы высокой точности и хороший операционный усилитель, я думаю, эта схема может быть довольно точной. Следующий график показывает смоделированную ошибку в том же диапазоне сопротивлений нагрузки (помните, что «V_collector» совпадает с Vвых).

Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки

Два графика почти идеально совпадают, что указывает на хорошую точность. Обратите внимание, как оранжевый график заметно ниже, чем синий, при наименьшем значении сопротивления нагрузки; это обусловлено тем, что сопротивление нагрузки 50 Ом соответствует выходному напряжению 5 В, но Vвых не может быть ровно 5 В, потому что по меньшей мере небольшое напряжение должно падать на R2 и на соединении эмиттер-коллектор.

Мы рассмотрели интересную и эффективную схему, которая точно преобразует ток источника питания в напряжение, которое можно измерить, оцифровать или использовать в качестве входного сигнала компаратора. Если вы хотите продолжить изучение этой удобной схемы, то не стесняйтесь сэкономить немного времени, загрузив мою схему LTspice по ссылке ниже.

Сохранить или поделиться

Основные величины измерения

Сила электрического тока — основной показатель, которым пользуются электрики в своей работе. От величины заряда, который протекает по электрической цепочке за установленный промежуток времени, зависит сила действия электрического течения. Чем большее количество электронов перетекло от одного начала источника к концу, тем больше будет перенесённый электронами заряд.

Сила тока — величина, которая измеряется отношением электрического заряда, протекающего сквозь поперечное сечение частиц в проводнике, ко времени его прохождения. Заряд замеряется в кулонах, время — в секундах, а одна единица силы течения электричества определяется отношением заряда ко времени (кулона к секунде) или в амперах. Определение электрического тока (его силы) происходит путём последовательного включения двух клемм в электроцепь.

При работе электротока движение заряженных частиц совершается с помощью электрического поля и зависит от силы движения электронов. Величина, от которой зависит работа электротока, называется напряжением и определяется отношением работы тока в конкретной части цепи и заряда, проходящего по этой же части. Единица измерения вольт замеряется вольтметром, когда две клеммы прибора подключаются к цепи параллельно.

Величина электрического сопротивления имеет прямую зависимость от типа используемого проводника, его длины и поперечного сечения. Она измеряется в омах.

Мощность определяется отношением работы движения токов ко времени, когда происходила эта работа. Замеряют мощность в ваттах.

Такая физическая величина, как ёмкость, определяется отношением заряда одного проводника к разнице потенциалов между этим же проводником и соседним. Чем меньше напряжение при получении электрозаряда проводниками, тем больше их ёмкость. Измеряют её в фарадах.

Величина работы электричества на определённом промежутке цепочки находится с помощью произведения силы тока, напряжения и временного отрезка, при котором осуществлялась работа. Последняя замеряется в джоулях. Определение работы электротока происходит с помощью счётчика, который соединяет показания всех величин, а именно напряжения, силы и времени.

Техника электробезопасности

Знание правил электробезопасности поможет предупредить аварийную ситуацию и уберечь здоровье и жизнь человека. Так как электричество имеет свойство нагревать проводник, то всегда существует возможность возникновения опасной для здоровья и жизни ситуации. Для обеспечения безопасности в быту необходимо придерживаться следующих простых, но важных правил:

  1. Изоляция сети всегда должна быть исправной, чтобы избежать перегрузок или возможности возникновения коротких замыканий.
  2. Влага не должна попадать на электроприборы, провода, щитки и т. д. Также влажная среда провоцирует появление коротких замыканий.
  3. Обязательно следует делать заземление для всех электроустройств.
  4. Необходимо избегать перегрузки электропроводки, так как существует риск воспламенения проводов.

Техника безопасности при работе с электричеством предполагает использование прорезиненых перчаток, рукавиц, ковриков, разрядных устройств, приборов заземления рабочих участков, выключателей-автоматов или предохранителей с тепловой и токовой защитой.

Опытные электрики при возникновении вероятности поражения электричеством работают одной рукой, а вторая находится в кармане. Таким образом прерывается цепь «рука-рука» в случае непроизвольного прикосновения к щитку или другому заземлённому оборудованию. При воспламенении оборудования, подключённого к сети, ликвидируют огонь исключительно порошковыми или углекислотными тушителями.

Основные величины и меры электрического тока

На этой страничке кратко излагаются основные величины электрического тока. По мере необходимости, страничка будет пополняться новыми величинами и формулами.

Сила тока – количественная мера электрического тока, протекающего через поперечное сечение проводника. Чем толще проводник, тем больший ток может по нему течь. Измеряется сила тока прибором, который называется Амперметр. Единица измерения — Ампер (А). Сила тока обозначается буквой – I.

Следует добавить, что постоянный и переменный ток низкой частоты, течёт через всё сечение проводника. Высокочастотный переменный ток течёт только по поверхности проводника – скин-слою. Чем выше частота тока, тем тоньше скин-слой проводника, по которому течёт высокочастотный ток. Это касается любых высокочастотных элементов — проводников, катушек индуктивности, волноводов. Поэтому, для уменьшения активного сопротивления проводника высокочастотному току, выбирают проводник с большим диаметром, кроме того, его серебрят (как известно, серебро имеет очень малое удельное сопротивление).

Напряжение (падение напряжения) – количественная мера разности потенциалов (электрической энергии) между двумя точками электрической цепи. Напряжение источника тока – разность потенциалов на выводах источника тока. Измеряется напряжение вольтметром. Единица измерения — Вольт (В). Напряжение обозначается буквой – U, напряжение источника питания (синоним — электродвижущая сила) может обозначаться буквой – Е.

Узнайте больше о напряжение в нашей статье.

Мощность электрического тока – количественная мера тока, характеризующая его энергетические свойства. Определяется основными параметрами – силой тока и напряжением. Измеряется мощность электрического тока прибором, который называется Ваттметр. Единица измерения — Ватт (Вт). Мощность электрического тока обозначается буквой – Р. Мощность определяется зависимостью:

Коснусь практического применения этой формулы на примере: Представьте, что у Вас есть электронагревательный прибор, мощность которого Вам не известна. Чтобы узнать потребляемую прибором мощность, измерьте ток и умножьте его значение на напряжение. Либо наоборот, имеется прибор мощностью 2 кВт (киловатт), на напряжение сети 220 вольт. Как узнать силу тока в кабеле питающего этот прибор? Мощность делим на напряжение, получаем ток: I = P / U = 2000 Вт/220 В = 9,1 А.

Потребляемая электроэнергия – суммарное значение потребляемой мощности от источника электрической сети за единицу времени. Измеряется потребляемая электроэнергия счётчиком (обыкновенным квартирным). Единица измерения – киловатт*час (кВт*ч).

Сопротивление элемента цепи – количественная мера, характеризующая способность элемента электрической цепи сопротивляться электрическому току. В простом виде, сопротивление это обыкновенный резистор. Резистор может использоваться: как ограничитель тока – добавочный резистор, как потребитель тока – нагрузочный резистор. Источник электрического тока так же обладает внутренним сопротивлением. Измеряется сопротивление прибором называемым Омметром. Единица измерения — Ом (Ом). Сопротивление обозначается буквой – R. Связано с током и напряжением законом Ома (формулой):

где U – падение напряжения на элементе электрической цепи, I – ток, протекающий через элемент цепи.

Рассеиваемая (поглощаемая) мощность элемента электрической цепи – значение мощности рассеиваемой на элементе цепи, которую элемент может поглотить (выдержать) без изменения его номинальных параметров (выхода из строя). Рассеиваемая мощность резисторов обозначается в его названии (например: двух ваттный резистор — ОМЛТ-2, десяти ваттный проволочный резистор – ПЭВ-10). При расчёте принципиальных схем, значение необходимой рассеиваемой мощности элемента цепи рассчитывается по формулам:

Для надёжной работы, определённое по формулам значение рассеиваемой мощности элемента умножается на коэффициент 1,5 , учитывающий то, что должен быть обеспечен запас по мощности.

Проводимость элемента цепи – способность элемента цепи проводить электрический ток. Единица измерения проводимости – сименс (См). Обозначается проводимость буквой — σ. Проводимость — величина обратная сопротивлению, и связана с ним формулой:

Если сопротивление проводника равно 0,25 Ом (или 1/4 Ом), то проводимость будет 4 сименс.

Частота электрического тока – количественная мера, характеризующая скорость изменения направления электрического тока. Имеют место понятия — круговая (или циклическая) частота — ω, определяющая скорость изменения вектора фазы электрического (магнитного) поля и частота электрического тока — f, характеризующая скорость изменения направления электрического тока (раз, или колебаний) в одну секунду. Измеряется частота прибором, называемым Частотомером. Единица измерения — Герц (Гц). Обе частоты связаны друг с другом через выражение:

Период электрического тока – величина обратная частоте, показывающая, в течение, какого времени электрический ток совершает одно циклическое колебание. Измеряется период, как правило, с помощью осциллографа. Единица измерения периода — секунда (с). Период колебания электрического тока обозначается буквой – Т. Период связан с частотой электрического тока выражением:

Длина волны высокочастотного электромагнитного поля – размерная величина, характеризующая один период колебания электромагнитного поля в пространстве. Измеряется длина волны в метрах (м). Длина волны обозначается буквой – λ. Длина волны связана с частотой и определяется через скорость распространения света:

Электрическая ёмкость – количественная мера, характеризующая способность накапливать энергию электрического тока в виде электрического заряда на обкладках конденсатора. Обозначается электрическая ёмкость буквой – С. Единица измерения электрической ёмкости — Фарада (Ф).

Магнитная индуктивность – количественная мера, характеризующая способность накапливать энергию электрического тока в магнитном поле катушки индуктивности (дросселя). Обозначается магнитная индуктивность буквой – L. Единица измерения индуктивности — Генри (Гн).

Реактивное сопротивление конденсатора (ёмкости) – значение внутреннего сопротивления конденсатора переменному гармоническому току на определённой его частоте. Реактивное сопротивление конденсатора обозначается — ХС и определяется по формуле:

Реактивное сопротивление катушки индуктивности (дросселя) – значение внутреннего сопротивления катушки индуктивности переменному гармоническому току на определённой его частоте. Реактивное сопротивление катушки индуктивности обозначается ХL и определяется по формуле:

Резонансная частота колебательного контура – частота гармонического переменного тока, на которой колебательный контур имеет выраженную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Резонансная частота колебательного контура определяется по формуле:

, или

Добротность колебательного контура — характеристика, определяющая ширину АЧХ резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в контуре больше, чем потери энергии за один период колебаний. Добротность учитывает наличие активного сопротивления нагрузки. Добротность обозначается буквой – Q.

Для последовательного колебательного контура в RLC цепях, в котором все три элемента включены последовательно, добротность вычисляется:

где R, L и C — сопротивление, индуктивность и ёмкость резонансной цепи, соответственно.

Для параллельного колебательного контура, в котором индуктивность, емкость и сопротивление включены параллельно, добротность вычисляется:

Скважность импульсов – это отношение периода следования импульсов к их длительности. Скважность импульсов определяется по формуле:

III. Измерение малых токов.

Предельная чувствительность любого измерителя тока зависит от тока тепловых шумов, который тем меньше, чем больше внутреннее сопротивление измерителя. Для снижения этого тока до уровня 10-17-10-16 А в полосе частот от 0 до 0,1 Гц необходимо применять приборы с внутренним сопротивлением не менее 1011-1012 Ом, поэтому магнитоэлектрические гальванометры, гальванометрические компенсаторы, усилители на биполярных транзисторах, относящиеся к сравнительно низкоомным устройствам, не могут использоваться для измерения токов менее 10-10-10-9А.

Для измерения малых постоянных и медленно меняющихся токов применяют пассивные преобразователи тока в напряжение в сочетании с чувствительным измерителем напряжения, имеющим очень высокое входное сопротивление (до 1014-1016 Ом) и малый уровень шумов. Максимально должны быть уменьшены также паразитные токи. К пассивным преобразователям относят резистивные, емкостные, логарифмирующие преобразователи.

В резистивных преобразователях тока в напряжение применяют высокоомные резисторы, значение сопротивления которых зависит от протекающего через резистор тока, и изменяется во времени под влиянием температуры, влажности и т.п. Номинальные значения выпускаемых высокоомных резисторов до 1012 Ом значительно зависят от приложенного напряжения, температурный коэффициент до 0,25%/ºК и временной дрейф до нескольких процентов в год.

В емкостных преобразователях тока в напряжение применяют конденсаторы с высококачественной изоляцией или специальные воздушные конденсаторы. Погрешность преобразования определяется погрешностью измерения емкости конденсатора и изменением емкости в процессе накопления заряда под влиянием медленной поляризации диэлектрика, поэтому емкость конденсатора зависит от частоты измеряемого тока. Для конденсатора характерны те же источники помех по току и напряжению, что и для резистора. Шунтирующее сопротивление конденсатора достигает 1015-1016 Ом.

В логарифмирующих преобразователях тока в напряжение используются элементы с естественной нелинейностью, такие как полупроводниковые диоды, транзисторы, электровакуумные диоды, многоэлектродные лампы. Сопротивление логарифмирующего элемента под действием измеряемого тока изменяется таким образом, что абсолютные приращения напряжения при одинаковых относительных изменениях тока остаются неизменными.

Вольт-амперную характеристику логарифмирующего элемента целесообразно представлять в виде полинома первой степени с логарифмическим аргументом и остаточным членом, т.е. в виде

U = a0 + a1lgI + ΔU(I),

Где U – выходное напряжение; I – входной ток; a0, a1 – соответственно смещение и крутизна логарифмической характеристики; ΔU(I) – остаточный член, учитывающий отклонение вольт-амперной характеристики от логарифмической зависимости.

Диапазон токов, в котором отклонение от логарифмической зависимости не превышает определенного значения, принято называть динамическим диапазоном логарифмической характеристики логарифмирующего элемента. Погрешность преобразования тока в напряжение с помощью логарифмирующего элемента зависит от факторов, вызывающих отклонение вольт-амперной характеристики от номинальной логарифмической зависимости ().

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *