Как контролировать ток с помощью операционного усилителя, биполярного транзистора и трех резисторов

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.

Зачем?

Существуют различные ситуации, в которых вы, возможно, захотите измерить ток, потребляемый вашим проектом. Возможно, вы хотите динамически настроить работу одной подсистемы на основе потребления тока другой подсистемы. Возможно, вы пытаетесь оценить срок службы аккумулятора или подобрать минимально возможную микросхему регулятора, которая может обеспечить достаточный выходной ток. Вы даже можете использовать записанные измерения потребления тока как способ с минимальным вмешательством для отслеживания переходов микроконтроллера между состояниями низкого и высокого потребления электроэнергии.

Как?

Как обсуждалось выше, данная схема преобразует ток в напряжение. Это может удовлетворить ваши требования к мониторингу тока, если всё, что вам нужно сделать, – это вручную наблюдать за потреблением тока с помощью мультиметра или осциллографа. Я полагаю, вы могли бы даже записывать и анализировать свои измерения потребления тока с помощью устройства сбора данных и некоторого соответствующего программного обеспечения.

Если вам нужна более автономная схема в смысле возможности записывать и/или реагировать на потребление тока, вы, вероятно, захотите оцифровать измерения с помощью микроконтроллера. Если требуется только базовый функционал, и у вас нет других потребностей в процессоре, вы можете использовать компаратор или аналоговый детектор диапазона пороговых напряжений.

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:

И моя реализация схемы 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:

Как вы можете видеть, окончательная формула V_вых представляет собой:

\[V_{вых} = {I_{нагр} \over R2/R1} \cdot R3 = {R1 \cdot R3 \over R2 } \cdot I_{нагр}\]

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 V_вых. 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 (V_ЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение V_ЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).

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 V_ЭБ составляет всего ~50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного ~4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного ~50 мВ, приведена ниже:

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 V_вых).

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 V_вых не может быть ровно 5 В, потому что по меньшей мере небольшое напряжение должно падать на R2 и на соединении эмиттер-коллектор.

Заключение

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.

Теги