Вникните в суть процессов и вам понравится

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мультиметров, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

За пределами цифрового мультиметра: компоненты и схемы для измерения тока и напряжения

Узнайте об устройствах и методах, используемых для внутрисхемного контроля токов и напряжений.

Цифровой мультиметр обычно является предпочтительным инструментом для измерения токов и напряжений на этапе прототипирования, но цифровой мультиметр может оказаться далеко не удобным, когда вы работаете с собранными печатными платами или упакованными модулями. Кроме того, в отношении к некоторым схемам необходимо отслеживать и, возможно, анализировать токи и напряжения во время работы. Таким образом, важно понимать, как включить в ваш проект функции мониторинга напряжения и тока.

Рекомендуемый уровень

НОВИЧОК

Напряжение vs. Ток

Фундаментальным моментом здесь является то, что измерить напряжение проще, чем измерить ток. Напряжение можно получить, просто сформировав электрическое соединение с соответствующим узлом, и пока ваша измерительная схема имеет очень высокий импеданс (что легко достигается с помощью операционного усилителя), на остальную часть схемы это существенно не повлияет. С другой стороны, измерения тока часто более трудозатратны, поскольку на пути тока имеется небольшое сопротивление. Следовательно, если у вас есть выбор измерения тока или напряжения, выберите напряжение. Например, если вам нужно измерить ток, который уже протекает через резистор с точно известной величиной, просто измерьте напряжение на этом резисторе и используйте закон Ома для расчета тока.

Напряжение

Основная цель любой системы измерения — свести к минимуму степень влияния процесса измерения на измеряемую величину. При измерении напряжения это означает, что измерительная схема должна иметь очень высокое входное сопротивление. Подумайте об этом так: если бы измерительная схема отсутствовала, изоляционный материал вокруг провода или дорожки печатной платы обеспечивал бы чрезвычайно высокое сопротивление. Таким образом, по мере увеличения входного сопротивления измерительной цепи она ведет себя скорее как простая разомкнутая цепь, и, таким образом, ее влияние на измеряемое напряжение становится менее значительным.

Высокого входного импеданса можно добиться с помощью простой схемы операционного усилителя, показанной ниже, которая называется повторителем напряжения. Он также обеспечивает низкий выходной импеданс, что помогает гарантировать, что показания не будут изменены последующими компонентами в измерительной схеме.

Однако помните, что реальные операционные усилители имеют небольшие напряжения смещения и шума, поэтому, если вам нужны высокоточные измерения, выберите малошумящий операционный усилитель с малым смещением.

Если вы измеряете напряжение, которое слишком велико для входного диапазона операционного усилителя, вы можете использовать резистивный делитель напряжения в сочетании с повторителем напряжения: 

При наличии этих резисторов в схеме вы больше не сможете воспользоваться преимуществами высокого входного сопротивления операционного усилителя. Для обеспечения точности измерений общее сопротивление R1 и R2 должно быть значительно больше, чем выходное сопротивление измеряемой цепи. Однако это требует компромисса, поскольку более высокое сопротивление приводит к снижению точности измерения: большее сопротивление означает больший тепловой шум и большее напряжение смещения, создаваемое входным током смещения операционного усилителя. В качестве примера предположим, что R1 = R2 (это означает, что измеряемое напряжение уменьшается вдвое) и что выходное сопротивление измеряемой цепи составляет 100 Ом. На этом графике показана разница между истинным напряжением и измеренным напряжением (другими словами, погрешность измерения) при изменении резисторов R1 и R2 от 1 кОм до 1 МОм.

В этом примере хорошим компромиссом будет R1 = R2 = 100 кОм, поскольку увеличение сопротивления за пределами этой точки мало влияет на погрешность измерения.

Ток

Большинство измерений внутрисхемного тока делятся на две основные категории: резистивные и магнитные. При резистивном подходе в цепь тока вставляется небольшой резистор, а дифференциальный усилитель измеряет падение напряжения на резисторе. Для измерения магнитного тока используется чувствительное устройство, которое генерирует напряжение, когда ток, проходящий через устройство, подвергается воздействию магнитного поля. Обе стратегии имеют преимущества и недостатки.

Резистивные измерения, как правило, более точны и могут использоваться в широком диапазоне амплитуд и частот тока, а необходимые компоненты недороги и легко доступны. Основным преимуществом магнитных измерений является изоляция: между датчиком и токовой цепью, нет электрического соединения, и в цепь не добавляется сопротивление датчика тока. Отсюда следует, что магнитные датчики предпочтительнее для очень высоких токов, которые могут привести к чрезмерному рассеиванию мощности при измерении с помощью токоизмерительного резистора.

Как заставить работать закон Ома

Базовая конфигурация резистивного датчика тока включает в себя прецизионный резистор и дифференциальный усилитель: 

Дифференциальное усиление может быть достигнуто с помощью инструментального усилителя или даже схемы на основе стандартных операционных усилителей, но сначала следует поискать подходящую деталь среди токоизмерительных усилителей, которые, как следует из названия, специально разработаны для усиления напряжения через токоизмерительные резисторы.

Фундаментальным компромиссом здесь является номинал резистора. Резистор меньшего размера будет рассеивать меньшую мощность и оказывать меньшее влияние на измеряемый ток, но более низкое сопротивление также генерирует более низкое напряжение, которое более подвержено ошибкам, вызванным шумом и напряжениями смещения.

Как заставить работать эффект Холла 

Датчики магнитного тока, обычно называемые датчиками Холла, используют приложенное магнитное поле для генерации напряжения, пропорционального току, проходящему через устройство.

Напряжения, создаваемые эффектом Холла, очень малы, поэтому практические устройства включают схемы для формирования и усиления сигнала. Датчики Холла считаются не интрузивными, поскольку единственное сопротивление, вносимое в путь тока, — это сопротивление первичного проводника устройства — например, всего 1,1 мОм в Allegro ACS709. Взаимосвязь между выходным напряжением и измеренным током для этого конкретного устройства иллюстрируется следующим графиком: 

Завершение обсуждения темы

Обсуждаемые до сих пор схемы и устройства просто преобразуют напряжение или ток в буферизованный масштабированный сигнал напряжения — нам все равно нужно фактически использовать эту измеренную величину. Если вашим единственным требованием является обнаружение состояния неисправности и инициирование реакции, вы можете использовать простую схему компаратора, которая активируется, когда измеренный сигнал выходит за пределы или ниже заранее определенного порога. Однако часто вам захочется сделать больше со своими измерениями: хранить данные, анализировать тенденции, обнаруживать резкие увеличения или уменьшения, отправлять измерения на ПК и т. д. В этом случае микроконтроллер со встроенным АЦП является мощным и эффективным инструментом. универсальное решение, позволяющее удобно оцифровывать сигналы, анализировать оцифрованные данные и выполнять самые разнообразные корректирующие мероприятия.