电流测量的原理和产品

2012-07-12 15:51:02来源: 21ic

  在电路设计电流测量应用十分普遍,主要领域分为3大类:测量中,电表会用来进行电流的测量;保护中,电流往往与功率形成直接的关系,如果电流过大代表系统中有短路情况出现而需要保护,因此用到电流测量;控制中,如马达控制、电池放电等都需要电流测量。

  测量电流的方法一般分成直接式和非直接式两种。直接式一般通过电阻进行,根据欧姆定律电流的大小和电压成正比,因此可以通过测量一个小电阻的电压差得到所经过电流的大小。非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到,由于电流周围本身会产生磁场,电流的大小和磁场成正比,因此可以通过测量磁场的大小得到经过电流的大小。直接式用于测量相对较小的电流以及电压不高的情况,非直接式不带有任何导电关系,因此可用于测量相对较大的电流以及相对较高的电压。

  非直接式电流测量

  非直接式电流测量比较常用的是霍尔传感器,通过霍尔现象测出电流的大小,输出为模拟输出;另外一种新的技术是利用VAC传感器,它是德国Vacuumschmelze公司开发的较新的电流传感器,与霍尔传感器不同之处是TI与VAC有一款专门的配套传感器芯片DRV401,其系统框图如图1所示,输出电流通过DRV401和积分滤波器产生一定的电流源作为反馈达到磁平衡,利用闭环控制保证整个铁氧体不受饱和影响,从而保证输出的精度能够提高。

系统框图

  直接式电流测量

  直接式电流测量手段分为两类:模拟输出和数字输出。

  模拟输出直接电流测量

  模拟输出分为低压(Low Side)和高压(High Side),数字输出可分为隔离式和非隔离式。低压是指用低压电流传感器进行电流测量,高压即用高压电流传感器进行电流测量。

  直接式电流测量用小电阻电流传感器,这一电阻有较高精度与温漂特性的要求。绝对值改变可以通过后面的简单补偿实现,但是温度漂移却不可以预测,因此补偿相对比较困难。对于电流传感器而言,温漂特性是最主要的。如:1个电阻R=1mΩ,精度为%26#177;1%,TCR=%26#177;200ppm/℃,输出电流I=33A,输出功率P=1W。当最大电流为45A时输出功率为2W,这种情况下温度会有所改变。假设温度漂移是75℃,如果TCR=20ppm/℃,输出精度改变为TCR=(75℃)%26#215;(20ppm/℃)%26#215;(0.0001%/ppm)=0.15%;如果是普通电阻,温漂特性达800ppm/℃,则有TCR=(75℃)%26#215;(800ppm/℃)%26#215;(0.0001%/ppm)=6%。根据系统精度要求不同,可以选择不同温漂特性的电流传感器。

  由于通过电阻之后输出为电压信号,该信号往往比较小,需用放大器放大。图2中列出了几个放大器的基本特性,假设使用OPA350,其温漂特性为%26#177;4。

放大器的基本特性
放大器的基本特性

  如果以同样的75℃温漂加上本身的偏置电压误差,计算出800μV的误差幅度,相比于45mV,其误差为1.8%。

  如果电阻本身20个ppm温漂、误差0.15%,放大器的误差远远大于电流传感器的误差,因此不能接收,如OPA335和OPA333误差大幅度减小到0.02%和0.03%误差范围,相对而言,主要的误差来源在于电阻而不是放大器,因此配套电路必须选择本身误差幅度小于传感器的误差幅度。如果选择OPA335,电阻本身的温度误差远远大于放大器本身的输出误差,从而可以保证系统精度能有所提高;如果选择温度性能更高的电阻,则可以保证电路能准确放大输出信号。

  此外还有其它不同的误差源,如焊点、PCB迹线、连接器等的寄生特性导致的误差也会影响系统精度。使用差分输入方式可以提高系统的整体精度,排除寄生特性对电路的影响。然而这种精度的提高必须要保证所用电阻的匹配,如果单纯选择分立器件很难保证电阻的匹配性,因此要把所有电阻集成到一个芯片中。如INA132集成了四个电阻,既保证了电阻之间的匹配性,又保证了温漂特性一致。此外还可以选择仪表放大器产品,直接把信号放大,如INA326。

  以上讨论了电流传感器高压和低压的差别,即利用仪表放大器在低压端测量电流,利用差分放大器内在分压的形式可以做高压端的电流测量。

  差分输入中会用到共模电压,其定义是正负输入端加起来除以2。如果差分电路电流通过电阻流向地则整个共模电压是正,反之如果电流从地流进差分电路,则共模电压为负。

  图4中列出了TI公司用于电流测量的一些产品,可以看到不同的共模电压范围。表中列出了高端和低端最高最低电压承受范围,最高可达75V,如果是单电源供电INA326,则只能达到5V。

电流测量的一些产品

[1] [2]

关键字:电流测量  电路设计  电表

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0712/article_5430.html
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