Detecţia curentului este o cerinţă fundamentală pentru majoritatea echipamentelor ce necesită control electronic sau supervizarea operaţiilor sale. O monitorizare mai complexă aduce o serie de avantaje, dintre care menţionăm câteva: o durată mai mare a bateriilor pentru dispozitivele portabile, o operare mai eficientă şi silenţioasă a echipamentelor ce includ motoare, detecţia mai rapidă a condiţiilor de defectare cu avantaje privind siguranţa. Controlul precis depinde de precizia măsurărilor; iar monitorizarea precisă a curentului este o funcţie esenţială.
Acest articol prezintă conceptele fundamentale cu privire la rezistenţele de detecţie a curentului, tehnici de detecţie a curentului şi subliniază avantajele şi dezavantajele a trei configuraţii tipice de detecţie pe ramura de circuit de nivel superior.
de Darren Wenn, Microchip Technology
Rezistenţe de detecţie
Curentul este aproape întotdeauna măsurat indirect, adesea dedus din tensiunea (V = I.R) pe o rezistenţă plasată pe calea de curent. Rezistenţele de detecţie a curentului sunt economice, pot oferi o precizie ridicată a măsurării de la nivele de curent foarte mici la medii, şi sunt aplicabile ambelor tipuri de circuite AC şi DC. Dezavantajele lor includ adăugarea unei rezistente suplimentare pe calea circuitului măsurat, ceea ce poate creşte rezistenţa de ieşire a dispozitivului şi poate produce un efect de sarcină nedorită şi o pierdere de putere asociată (P = I2.R). De aceea rezistenţele de detecţie a curentului sunt rar utilizate dincolo de aplicaţiile de detecţie a curenţilor mici şi medii.
Aceste dezavantaje pot fi minimizate prin utilizarea unor rezistenţe de detecţie de valori reduse. Totuşi, căderea de tensiune pe rezistorul de detecţie poate deveni suficient de mică pentru a fi comparabilă cu variaţia tensiunii de intrare a circuitelor de condiţionare analogice subsecvente, ceea ce compromite precizia de măsurare.
Dacă curentul măsurat are o componentă semnificativă de înaltă frecvenţă, inductanţa inerentă a rezistenţei de detecţie trebuie să fie redusă, sau tensiunea reactivă dezvoltată va degrada precizia de măsurare. Alţi parametri importanţi în ceea ce priveşte performanţele rezistenţei de detecţie includ toleranţa la valoarea acesteia, coeficientul de temperatură, EMF termic, temperatura nominală şi puterea nominală – care ar trebui să fie suficient de ridicată pentru a suporta vârfurile tranzitorii de scurtă durată.
Detecţie pe ramurile de nivel inferior şi superior ale circuitului
Două tehnici de bază pot fi categorisite ca detecţie pe ramura de nivel inferior a circuitului şi detecţie pe ramura de nivel superior a circuitului, fiecare dintre acestea cu avantajele şi dezavantajele sale.
După cum se poate observa în figura 1, detecţia curentului pe ramura de nivel inferior conectează rezistenţa de detecţie între sarcină şi masă. În mod normal, semnalul de tensiune detectat (VSEN = ISEN × RSEN) este aşa de mic încât trebuie amplificat de un circuit subsecvent cu amplificator operaţional (de exemplu un amplificator ne-inversor) pentru a obţine o tensiune de ieşire măsurabilă (VOUT).
Această configuraţie oferă o tensiune de intrare de mod comun joasă, cu intrare şi ieşire cu referinţă la masă, o soluţie simplă şi economică dar susceptibilă la perturbări pe calea de masă, iar nivelul de masă văzut dinspre sarcină (circuitul aplicaţie) este mai ridicat faţă de masa sistemului de vreme ce RSEN adaugă o rezistenţă nedorită pe calea de masă. Alte dezavantaje sunt acelea că orice curent de sarcină ridicat cauzat de un scurt accidental (la masa adevărată) trece nedetectat; şi că sunt necesare componente cu VDD mic.
Într-o configuraţie cu o singură alimentare, cel mai important aspect al detecţiei de curent pe ramura de nivel inferior este acela că gama tensiunii de intrare de mod comun (VCM) a amplificatorului operaţional trebuie să includă masa. Se poate selecta detecţia curentului pe ramura de nivel inferior în aplicaţii în care nu este necesară detecţia de scurtcircuit şi în care perturbaţiile de masă pot fi tolerate.
După cum se poate observa în figura 2, în cazul detecţiei curentului pe ramura de nivel înalt, rezistenţa de detecţie se conectează între sursa de tensiune şi sarcină, eliminând efectele perturbaţiilor de masă, permiţând aplicaţiei să fie direct conectată la masă, iar curenţii de scurtcircuit sunt detectaţi. Totuşi, sistemul de măsurare trebuie să fie capabil să gestioneze tensiunile de intrare de mod comun dinamice şi mari, conducând astfel la complexitate şi cost crescut şi la necesitatea unor componente pentru VDD mari.
Într-o configuraţie cu o singură sursă de alimentare domeniul VCM a amplificatorului diferenţial trebuie să fie suficient de larg pentru a rezista tensiunilor de intrare de mod comun ridicate, iar amplificatorul diferenţial trebuie să fie capabil să rejecteze tensiunile de intrare de mod comun dinamice.
Implementarea detecţiei pe ramurile de nivel superior ale circuitului
Detecţia curentului pe ramura de nivel înalt este în mod tipic selectată în aplicaţii în care nu pot fi tolerate perturbaţiile de masă, iar detectarea scurtcircuitului este cerută, precum monitorizarea şi controlul motoarelor, circuite de supervizare şi protecţie la supracurent, sisteme de siguranţă auto şi de monitorizare a bateriilor. Figura 3 prezintă prima dintre configuraţiile de detecţie pe ramura de nivel înalt, cu amplificator operaţional diferenţial, care constă dintr-un amplificator diferenţial MCP6H01 şi patru rezistenţe externe, pentru a amplifica căderea mică de tensiune pe rezistenţa de detecţie cu raportul de amplificare R2/R1, rejectând tensiunea de intrare de mod comun.
Raportul de rejecţie de mod comun a amplificatorului (CMRRDIFF) este în primul rând determinată de nepotrivirile dintre rezistenţe (R1, R2, R1*, R2*), nu de CMRR-ul amplificatorului diferenţial; rezistenţele cu toleranţa strânsă vor conduce la creşterea costului. Pentru R2/R1 = 1, toleranţele rezistenţelor de 0,1%, oferă o valoare pentru cazul cel mai rău DC CMRRDIFF de 54dB: dacă sunt utilizare rezistenţe de 1% atunci valoarea va fi de numai 34dB. RSEN trebuie să fie mult mai mică decât R1 şi R2 pentru a minimiza efectele de sarcină rezistivă. Impedanţele de intrare ale amplificatorului diferenţial văzute dinspre V1 şi V2 sunt neechilibrate. De notat este că efectul de sarcină rezistivă şi impedanţele de intrare neechilibrate vor degrada CMRRDIFF.
Tensiunea de referinţă (VREF) permite ca ieşirea amplificatorului să fie comutată la alte tensiuni mai ridicate, prin raportare la masă. VREF trebuie să fie asigurată de o sursă cu impedanţă redusă pentru a evita ajungerea la o valoare rea a CMRRDIFF.
Suplimentar, după cum se poate observa în figura 3, tensiunile de intrare (V1, V2) pot fi reprezentate prin tensiune de intrare de mod comun (VCM) şi tensiune de intrare de mod diferenţial (VDM):
V1 = VCM + VDM/2 şi V2 = VCM + VDM/2
VOUT = (V1 – V2) × G + VREF = VDM × G + VREF, unde G = R2/R1
Pentru a preveni ca VOUT să satureze căile de alimentare, aceasta trebuie ţinută în domeniul permis al VOUT, între VOL şi VOH. Domeniul VCM al amplificatorului diferenţial a fost crescut datorită divizoarelor de tensiune realizate de R1, R2, R1* şi R2*.
În concluzie, acestea formează limitele specificate ale VDM şi VCM pentru amplificatorul diferenţial; referinţa bibliografică 1 oferă un exemplu de calcul în acest sens.
Concluzionând, amplificatoarele diferenţiale oferă un raport de rejecţie de mod comun rezonabil, un domeniu larg al tensiunii de intrare de mod comun, consum energetic redus, cost redus şi simplitate; neajunsurile lor includ efecte de sarcină rezistivă, impedanţe de intrare neechilibrate şi faptul că reglarea câştigului amplificatorului diferenţial necesită schimbarea a mai mult de o singură valoare de rezistenţă.
Amplificator de instrumentaţie cu trei amplificatoare operaţionale
Figura 4 prezintă un amplificator de instrumentaţie cu trei amplificatoare operaţionale (3-op-amp INA), ce amplifică mica tensiune diferenţială şi rejectează tensiuni de mod comun mari. Primul său nivel constă dintr-o pereche de buffere cu impedanţe de intrare mari (A1, A2) şi rezistenţe (RF şi RG) care conduc la evitarea efectului de sarcină rezistivă şi a problemei legate de impedanţele de intrare neechilibrate. Suplimentar, RF şi RG cresc amplificarea de tensiune de mod comun a perechii de buffere (GDM) la 1 + 2RF/RG păstrând în acelaşi timp amplificarea lor de tensiune de mod comun (GCM) egal cu 1. Acest lucru îmbunătăţeşte semnificativ CMMR-ul amplificatorului de instrumentaţie cu trei amplificatoare operaţionale (CMRR3INA), ca CMRR = 20 log (GDM/GCM). Un alt avantaj este acela că se poate regla câştigul global al 3-op-amp INA prin reglarea numai a rezistenţei RG fără a trebui să se umble la R1, R1*, R2 şi R2*.
Al doilea nivel este implementat printr-un amplificator diferenţial (A3) care amplifică tensiunile de mod diferenţial şi rejectează tensiunea de mod comun. Într-o aplicaţie practică, raportul R2/R1 este uzual reglat la 1. CMRR3INA este în primul rând determinat de amplificarea tensiunii de mod diferenţial din primul nivel şi toleranţa de potrivire netă a R2/R1 şi R2*/R1*. Toleranţa rezistenţelor RF şi RG nu afectează CMRR3INA.
Pentru 3-op-amp INA, există o problemă ce este trecută uşor cu vederea, şi anume reducerea domeniului tensiunii de ieşire de mod comun (VCM).
Privitor la figura 4, tensiunile de intrare (V1, V2) pot fi reprezentate de tensiunea de intrare de mod comun (VCM) şi tensiune de intrare de mod diferenţial (VDM). Acestea sunt, V1 = VCM + VDM/2 şi V2 = VCM + VDM/2.
Amplificatoarele (A1, A2) furnizează o amplificare de tensiune de mod diferenţial (GDM), care este egală cu amplificarea globală (G), şi o amplificare de mod comun (GCM) egală cu 1. VOUT1, VOUT2 şi VOUT trebuie să rămână în gama de tensiuni de ieşire permisă între VOL şi VOH. Configuraţia 3-op-amp INA stabileşte limite specifice şi pentru VDM şi VCM şi în special gama sa VCM va fi semnificativ redusă când operează în configuraţii de amplificare ridicată.
Amplificatorul de instrumentaţie 3-op-amp INA oferă un raport de rejecţie de mod comun ridicat (CMRR3INA), libertate faţă de efectele de sarcină rezistivă, impedanţe de intrare echilibrate şi abilitatea de a regla amplificarea globală cu schimbarea unei singure valori de rezistenţă.
În schimb, domeniul său VCM este redus, iar numărul crescut de amplificatoare operaţionale creşte consumul energetic şi costul.
Amplificatoare de instrumentaţie cu două amplificatoare operaţionale
Prin comparaţie cu soluţia anterioară cu 3 amplificatoare operaţionale, soluţia cu 2 amplificatoare operaţionale din figura 5 oferă economii de costuri şi energie. Impedanţele sale de intrare sunt de asemenea foarte mari, ceea ce evită efectele de sarcină rezistivă şi problema impedanţelor de intrare neechilibrate. Raportul său de rejecţie de mod comun (CMRR2INA) este determinat în principal de amplificarea globală şi de toleranţa de potrivire netă a R2/R1 şi R2*/R1*.
După cum se poate observa în figura 5, tensiunile de intrare (V1, V2) pot fi reprezentate de tensiunea de intrare de mod comun (VCM) şi de tensiunea de intrare de
mod diferenţial (VDM). Aceasta înseamnă V1 = VCM – VDM/2 şi V2 = VCM + VDM/2. Încă odată VOUT şi VOUT1 trebuie să rămână în domeniul de tensiuni de ieşire permise VOL şi VOH, iar această configuraţie stabileşte limitele pentru VDM şi VCM.
Spre deosebire de 3-op-amp INA, domeniul VCM a 2-op-amp INA va fi semnificativ redus când operează în configuraţie cu amplificare redusă. Mai mult, asimetria circuitului pe calea sa de semnal de mod comun cauzează o întârziere de fază între VOUT1 şi V1, degradând performanţa AC CMRR. După cum se poate observa în figura 5, semnalul de intrare V1 trebuie să treacă prin amplificatorul A1 înainte de a fi scăzută din V2 de amplificatorul A2. De aceea, VOUT1 este uşor întârziată şi defazată faţă de V2.
Acest lucru reprezintă o limitare semnificativă.
Figura 6 prezintă modul în care, prin adăugarea unei rezistenţe RG între două intrări inversoare, amplificarea globală a sistemului 2-op-amp INA poate fi uşor reglată numai prin valoarea RG.
Raportul R2/R1 este uzual ales pentru amplificarea minimă dorită. Un alt avantaj dat de rezistenţa RG este aceea că pot fi evitate valori mari ale rezistenţelor R2 şi R2* în configuraţiile cu amplificare foarte mare. Ca şi în cazul altor configuraţii, calculele detaliate (referinţa bibliografică 1) stabilesc cerinţele pentru VDM şi VCM, pentru 2-op-amp INA cu RG adiţional.
Acest din urmă circuit oferă o rejecţie de mod comun ridicată DC (CMRR2INA), absenţa efectului de sarcină rezistivă, impedanţe de intrare echilibrate, cost redus şi consum energetic mic prin comparaţie cu soluţia 3-op-amp INA. Dezavantajele sale includ domeniu redus VCM, performanţă scăzută AC CMRR2INA, datorită asimetriei circuitului şi inabilităţii de a opera la amplificare unitate.
BIBLIOGRAFIE
1. Zhen, Yang, “Current Sensing Circuit Concepts and Fundamentals”, Microchip Application Note AN1332
2. Smither, M. A., Pugh, D.R. şi Woolard, L.M., “C.M.R.R. Analysis of the 3-Op-Amp Instrumentation Amplifier”, Electronics Letters, 2 Feb. 1989.
3. Sedra, A.S. şi Smith, K.C., “Microelectronic Circuits”, 4th Edition, Oxford University Press, 1998.
www.microchip.com