Меню

Измерение слабого тока схема

Микросхемы для измерения тока

Один из самых простых способов измерения тока в электрической цепи — это измерение падения напряжения на резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. Но при прохождении тока через этот резистор, на нем выделяется бесполезная мощность в виде тепла, поэтому оно выбирается минимально возможной величины, что в свою очередь влечет за собой последующее усиление сигнала. Следует отметить, что приведенные ниже схемы позволяют контролировать не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с соответствующими искажениями, определяемыми полосой пропускания усилительных элементов.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки, ris1

Схема измерения тока нагрузки в отрицательном полюсе приведена на рисунке 1.

Эта схема и часть информации заимствована из журнала «Компоненты и технологии» №10 за 2006г. Михаил Пушкарев pmm@midaus.com
Преимущества:
• низкое входное синфазное напряжение;
• входной и выходной сигнал имеют общую «землю»;
• простота реализации с одним источником питания.
Недостатки:
• нагрузка не имеет непосредственной связи с «землей»;
• отсутствует возможность коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе;
• возможность выхода из строя измерительной схемы при коротком замыкании в нагрузке.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки не представляет сложности. Для этой цели подходит много ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием. Схема измерения тока с применением операционного уси¬лителя приведена на рис. 1. Выбор конкретного типа усилителя определяется требуемой точностью, на которую в основном влияет смещение нуля усилителя, его температурный дрейф и погрешность установки усиления, и необходимым быстродействием схемы. В начале шкалы неизбежна значительная погрешность преобразования, вызванная ненулевым значением минимального выходного напряжения усилителя, что для большинства практических применений несущественно. Для исключения этого недостатка требуется двухполярное питание усилителя.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки, ris2_3

Достоинства:
• нагрузка заземлена;
• обнаруживается короткое замыкание в нагрузке.
Недостатки:
• высокое синфазное входное напряжение (зачастую очень высокое);
• необходимость смещения выходного сигнала до уровня, приемлемого для последующей обработки в системе (привязка к «земле»).
Рассмотрим схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки с использованием операционных усилителей.

В схеме на рис. 2 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания операционный усилитель, предназначенный для работы с однополярным питанием и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим напряжения питания, например AD8603. Максимальное напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя.

Но есть ОУ, которые способны работать при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 3, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В. Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с весьма малой погрешностью подходят такие инструментальные усилители, как LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments. Для измерения тока в положительном полюсе есть и специализированные микросхемы, например — INA138 и INA168.

INA138 и INA168

— высоковольтные, униполярные мониторы тока. Широкий диапазон входных напряжений, низкий потребляемый ток и малые габариты — SOT23, позволяют использовать эту микросхему во многих схемах. Напряжение источника питания от 2.7 В до 36 В для INA138 и от 2.7 В до 60 В для INA168. Входной ток — не более 25мкA, что позволяет производить измерение падения напряжения на шунте с минимальной ошибкой. Микросхемы являются преобразователями ток — напряжение с коэффициентом преобразования от1 до 100 и более. INA138 и INA168 в корпусах SOT23-5 имеют диапазон рабочих температур -40°C к +125°C.
Типовая схема включения взята из документации на эти микросхемы и показана на рисунке 4.

Измерение тока нагрузки, ris4_5

OPA454

OPA454, ris6

— новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления.

Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.
Технические особенности OPA454:
Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
(предельно до 120 В)
Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)
Данные на микросхему приведены в «Новости электроники» №7 за 2008г. Сергей Пичугин

Усилитель сигнала токового шунта на основной шине питания.

В радиолюбительской практике для схем, параметры которых не столь жесткие, подойдут дешевые сдвоенные ОУ LM358, допускающие работу с входными напряжениями до 32В. На рисунке 5 показана одна из многих типовых схем включения микросхемы LM358 в качестве монитора тока нагрузки. Кстати не во всех «даташитах» имеются схемы ее включения. По всей вероятности эта схема явилась прототипом схемы, приведенной в журнале «Радио» И. Нечаевым и о которой я упоминал в статье «Индикатор предельного тока».
Приведенные схемы очень удобно применять в самодельных БП для контроля, телеметрии и измерения тока нагрузки, для построения схем защиты от коротких замыканий. Датчик тока в этих схемах может иметь очень маленькое сопротивление и отпадает необходимость подгонки этого резистора, как это делается в случае обычного амперметра. Например, напряжение на резисторе R3, в схеме на рисунке 5 равно: Vo = R3∙R1∙IL / R2 т.е. Vo = 1000∙0,1∙1A / 100 = 1В. Одному амперу тока, протекающему через датчик, соответствует один вольт падения напряжения на резисторе R3. Величина этого соотношения зависит от величины всех резисторов входящих в схему преобразователя. Отсюда следует, что сделав резистор R2 подстроечным, можно спокойно им компенсировать разброс сопротивления резистора R1. Это относится и к схемам, показанным на рисунках 2 и 3. В схеме, представленной на рис. 4, можно изменять сопротивление нагрузочного резистора RL. Для уменьшения провала выходного напряжения блока питания, сопротивление датчика тока – резистор R1 в схеме на рис.5 вообще лучше взять равным 0,01 Ом, изменив при этом номинал резистора R2 на 10 Ом или увеличив номинал резистора R3 до 10кОм.

Читайте также:  Основные причины поражения электрическим током в школе

Источник

Наноамперметр на Attiny84

nanocurrentmeter

В этой статье описывается простой измеритель слабых токов, который можно использовать для замера потребления в спящем режиме различных цифровых схем, в том числе и на микроконтроллерах. Он позволяет измерять токи от 30нА до 10 мкA с достаточной точностью, и собран на микроконтроллере ATtiny84 и нескольких других недорогих деталях.

nanocurrentmeter

Наноамперметр на ATtiny84, измеряющий ток в 106нА, собранный на макетной плате.

Принцип измерения малых токов

Измерение очень малых токов обычными цифровыми мультиметрами, как известно, затруднено ; они либо не обеспечивают низкий диапазон измерения тока вообще, или, если такой диапазон все же присутствует, они создают падение напряжения, называемое «напряжение нагрузки», которое может привести к неточным показаниям. Один из способов обойти это-использовать прецизионные датчики тока, но такие схемы очень дороги.

В этой схеме не используется высокая точность, поэтому в данном случае альтернативным подходом будет вычисление тока, основанного на времени, которое требуется конденсатору для разряда. Напряжение на конденсаторе, разряжающемся на резистивную нагрузку, экспоненциально. Напряжение делится пополам для каждого последующего фиксированного интервала времени, поэтому, если напряжение начинается с 5V, через некоторое время t оно упадет до половины этого значения, 2.5 V. Через некоторое время t оно упадет до 1.25 V и так далее. Время t называется Постоянная времени.

Постоянная времени равна логарифму двух от временной постоянной RC, или 0.693 x RC. таким образои, для фиксированного конденсатора C, измеряя время разряда до 50% от начального значения, мы можем вычислить сопротивление R, эффективное сопротивление нагрузки, а отсюда и потребление тока.

Это легко сделать, используя микроконтрроллер с АЦП, несколько других элементов и измерительный конденсатора; недостатком является то, что измерение тока в наноамперах может занять несколько секунд, пока конденсатор разряжается.

Схема наноамперметра

Вот схема, примерно отражающая то, как она была собрана на макетной плате:

Схема наноамперметр на ATtiny84.

Схема собрана на ATtiny84 и трехразрядном семисегментном индикаторе с высотой символов 0.28 дюйма.

Выводы PA0 — PA6 порта A используются для управления сегментами индикатора, а PB0 — PB2 для управления разрядами. Так как больше свободных выводов не остается PB2 также используется для управления десятичной точкой, это срабатывает потому, что в третьем разряде точка не нужна. Вход PA7 настроен как аналоговый вход для измерения напряжения на конденсаторе.

Конденсатор используется пленочный с допуском ±5%. Можно использовать любой высококачественный конденсатор кроме электролитического.

Кнопка, подключенная ко входу сброса используется для запуска измерения.

Схема должна питаться от стабилизированного источника на 5 вольт, так как это влияет на точность измерений.

Использование наноамперметра

Для измерения потребляемого тока подсоедините тестируемую схему между контактами «Test» и «Gnd» и нажмите кнопку «Reset». Программа сначала кратковременно подаст 5 вольт на вход «Test» чтобы зарядить конденсатор. Затем она отключает напрядение, оставляя испытуемую схему питаться от конденсатора.

Когда конденсатор разрядится до определенного напряжения программа посчитает ток разряда и отобразит его в наноамперах или микроамперах; микроамперы отображаются с суффиксом «u». Например, возможные варианты индикации:

Дисплей Ток
Lo Ток 10µA

Обратите внимание, что измерение может занять до 100 секунд при измерении токов до 30нA.

Если вы тестируете потребление тока схемы в спящем режиме, питайте ее от тестового входа наноамперметра, а когда цепь перейдет в спящий режим, нажмите кнопку «Reset».

Программа наноамперметра

Динамическая индикация

Динамическая индикация реализуется с помощью прерывания, выводя содержимое массива Buffer[]. Например, для отображения «123» код такой:

В программе используется Timer/Counter1 для генерации прерывания с частотой 200Гц, которая используется для динамической индикации. Timer/Counter1 инициализируется в функции SetupDisplay():

Процедура прерываения вызывает функцию DisplayNextDigit():

Эта функция выводит следующую цифру, включая соответствующие сегменты индикатора, а затем подает единицу на анод соответствующего разряда индикатора:

Старший бит PORTA маскирован для предтвращения помех с измеряемым сигналом.

Измерение времени разряда конденсатора

Основная программа запускается после нажатия кнопки Reset. Сначала она подает логическую единицу на PA7, чтобы зарядить конденсатор. Затем она переводит этот пин в состояние входа и вызывает функцию analogRead() для отслеживания падения напряжения.

Когда напряжение упадет до значения, указанного в переменное Target, программа расчитывает сопротивление нагрузки, основанной на постоянной времени RC по формуле:

half life = log(2) RC

Читайте также:  Не тока с мамы в семье

для минимизации влияния падения напряжения на измеряемую схему была выбрана только половина от времени полуразряда, то есть когда напряжение падает на 1/√2 от начального значения, или примерно до 3.5В. В программе используется значение 29/41, которое является хорошим приближением величины 1/√2. Мы может просто удвоить это значение чтобы получить время полуразряда.

Затем расчитывается ток разряда при 5 вольтах, по формуле:

ток разряда = (5 x log(2) x 10 -6 ) / t

где ток разряда в амперах, 5 — напряжение питания в вольтах, 10 -6 — емкость конденсатора, , t — время полуразряда в секундах. Это дает:

где nA — ток разряда в нA, а Time — время в миллисекундах.

Главный цикл программы:

Последние несколько строк программы предназначены для различных форматов отображения, описанных выше.

Компиляция

Программа скомпилирована в Spence Konde’s ATTiny Core. Выбираем опцию ATtiny24/44/84 в разделе ATTinyCore меню Board. Далее устанавливаем следующие параметры:

Chip: «ATtiny84»
Clock: «8 MHz (internal)»
B.O.D: «B.O.D. Disabled»
Pin Mapping: «Clockwise (like damellis core)»

По умолчанию ATtiny84 работает на частоте 1МГц. Выбираем Burn Bootloader чтобы установить фьюзы на 8MГц. Затем прошейте контроллер программатором для внутрисхемного программирования ( ISP (in-system programming)) к примеру, Sparkfun’s Tiny AVR Programmer Board.

Источник

Прибор для измерения силы тока. Как измерить силу тока мультиметром

28 Ноя 2016г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Ток или силу тока определяют количеством электронов, проходящих через точку или элемент схемы в течение одной секунды. Так, например, через нить накала горящей лампы накаливания карманного фонаря ежесекундно проходит около 2 000 000 000 000 000 000 (два триллиона) электронов. Однако на практике измеряется не количество электронов, а их движение, выраженное в амперах (А).

Ампер – это единица электрического тока, которую так назвали в честь французского физика и математика А. Ампера изучавшего взаимодействие проводников с током. Экспериментально установлено, что при токе в 1А через точку или элемент схемы проходит около 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Помимо ампера применяют и более мелкие единицы силы тока: миллиампер (мA), равный 0,001 А, и микроампер (мкA), равный 0,000001 А или 0,001 мА. Следовательно: 1 А = 1000 мА = 1 000 000 мкА.

1. Прибор для измерения силы тока.

Как и напряжение, ток бывает постоянный и переменный. Приборы, служащие для измерения тока, называют амперметрами, миллиамперметрами и микроамперметрами. Так же, как и вольтметры, амперметры бывают стрелочными и цифровыми.

Приборы для измерения тока

На электрических схемах приборы обозначаются кружком и буквой внутри: А (амперметр), мА (миллиамперметр) и мкА (микроамперметр). Рядом с условным обозначением амперметра указывается его буквенное обозначение «» и порядковый номер в схеме. Например. Если амперметров в схеме будет два, то около первого пишут «PА1», а около второго «PА2».

Обозначение амперметров на электрических схемах

Для измерения тока амперметр включается непосредственно в цепь последовательно с нагрузкой, то есть в разрыв цепи питания нагрузки. Таким образом, на время измерения амперметр становится как бы еще одним элементом электрической цепи, через который протекает ток, но при этом в схему амперметр никаких изменений не вносит. На рисунке ниже изображена схема включения миллиамперметра в цепь питания лампы накаливания.

Включение амперметра в электрическую цепь

Также надо помнить, что амперметры выпускаются на разные диапазоны (шкалы), и если при измерении использовать прибор с меньшим диапазоном по отношению к измеряемой величине, то прибор можно повредить. Например. Диапазон измерения миллиамперметра составляет 0…300 мА, значит, силу тока измеряют только в этих пределах, так как при измерении тока свыше 300 мА прибор выйдет из строя.

2. Измерение силы тока мультиметром.

Измерение силы тока мультиметром практически ни чем не отличается от измерения обыкновенным амперметром или миллиамперметром. Разница состоит лишь в том, что у обычного прибора всего один диапазон измерения, рассчитанный на определенную максимальную величину тока, тогда как у мультиметра диапазонов несколько, и перед измерением приходится определять каким из диапазон пользоваться в данный момент.

Головка миллиамперметра

Пределы измерения тока в мультиметре

Обычные мультиметры, не профессиональные, рассчитаны на измерение постоянного тока и имеют четыре поддиапазона, что на бытовом уровне вполне достаточно. У каждого поддиапазона есть свой максимальный предел измерения, который обозначен цифровым значением: 2m, 20m, 200m, 10А. Например. На пределе «20m» можно измерять постоянный ток в диапазоне 0…20 мА.

Для примера измерим ток, потребляемый обычным светодиодом. Для этого соберем схему, состоящую из источника напряжения (пальчиковой батарейки) GB1 и светодиода VD1, а в разрыв цепи включим мультиметр РА1. Но перед включением мультиметра в схему подготовим его к проведению измерений.

Схема включения мультиметра в цепь светодиода

Измерительные щупы вставляем в гнезда мультиметра, как показано на рисунке:

красный щуп называют плюсовым, и вставляется он в гнездо, напротив которого изображены значки измеряемых параметров: «VΩmA»;
черный щуп является минусовым или общим и вставляется он в гнездо, напротив которого написано «СОМ». Относительно этого щупа производятся все измерения.

Гнезда и щупы мультиметра

В секторе измерения постоянного тока выбираем предел «2m», диапазон измерения которого составляет 0…2 мА. Подключаем щупы мультиметра согласно схеме и затем подаем питание. Светодиод загорелся, и его потребление тока составило 1,74 мА. Вот, в принципе, и весь процесс измерения.

Предел измерения тока 2m в мультиметре

Однако этот вариант измерения подходит тогда, когда величина потребления тока известна. На практике же часто возникает ситуация, когда необходимо измерить ток на каком-либо участке цепи, величина которого неизвестна или известна приблизительно. В таком случае измерение начинают с самого высокого предела.

Читайте также:  Пошаговое напряжение электрического тока расстояние между

Предположим, что потребление тока светодиодом неизвестно. Тогда переключатель переводим на предел «200m», который соответствует диапазону 0…200 мА, и после этого щупы мультиметра включаем в цепь.

Затем подаем напряжение и смотрим на показания мультиметра. В данном случае показания тока составили «01,8», что означает 1,8 мА. Однако нолик впереди указывает на то, что можно снизиться на предел «20m».

Предел измерения тока в мультиметре

Отключаем питание. Переводим переключатель на предел «20m». Включаем питание и опять производим измерение. Показания составили 1,89 мА.

Предел измерения тока 20m в мультиметре

Часто бывает ситуация, когда при измерении тока или напряжения на индикаторе появляется единица. Единица говорит о том, что выбран низкий предел измерения и он меньше величины измеряемого параметра. В этом случае необходимо перейти на предел выше.

Единица на индикаторе мультиметра

Также может возникнуть момент, когда измеряемый ток выше 200 мА и необходимо перейти на предел измерения «10А». Однако здесь есть нюанс, который надо запомнить. Помимо того, что переключатель переводится на предел «10А», еще также необходимо переставить плюсовой (красный) щуп в крайнее левое гнездо, напротив которого стоит цифро-буквенное значение «10А», указывающее, что это гнездо предназначено для измерения больших токов.

Положение щупов в гнездах мультиметра при измерении тока на пределе 10А

И еще совет. Возьмите за правило: когда закончите все измерения на пределе «10А» сразу же переставляйте плюсовой (красный) щуп на свое штатное место. Этим Вы сбережете себе нервы, щупы и мультиметр.

Ну вот, в принципе и все, что хотел сказать об измерении тока мультиметром. Главное понимать, что при измерении напряжения вольтметр подключается параллельно нагрузке или источнику напряжения, тогда как при измерении силы тока амперметр включается непосредственно в цепь и через него протекает ток, которым питаются элементы схемы.

Ну и в качестве закрепления прочитанного предлагаю посмотреть видеоролик, в котором на примере схем рассказывается об измерениях напряжения и силы тока мультиметром.

Источник



ПРИСТАВКА ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ ТОКОВ

Для измерения токов в диапазоне микро- и наноампер, потребуется усилитель с активным преобразователем. Из-за очень большого усиления операционного усилителя падение напряжения во время измерений с помощью амперметра с активным преобразователем может быть исключено. Благодаря этому результаты измерений намного точнее, чем в случае амперметров с шунтом. Поскольку падение напряжения в активном преобразователе близко к нулю, также можно устранить влияние колебаний напряжения на работу устройства.

Принципиальная схема микро- наноамперметра

Типичный пример амперметра с активным преобразователем приведен на схеме ниже:

Чтобы эта зависимость выполнялась в реальных условиях, входное напряжение дисбаланса должно быть очень маленьким, а входной поляризационный ток пренебрежимо малым. Эти параметры становятся особенно важными когда дело доходит до измерений токов порядка пикоампер, на результат которых будет влиять входной поляризационный ток. Есть несколько примеров пикоамперметров на основе микросхемы LMC662. Согласно даташита, м/с имеет очень низкий входной поляризационный ток, порядка 2 фемтоампер.

В этом устройстве использовался усилитель TS1001 от Touch Stone. Схема имеет посредственные параметры и на первый взгляд не подходит измерять такие маленькие токи. Но особенность, которая отличает микросхему TS1001, заключается в чрезвычайно низком энергопотреблении, схема работает нормально даже при напряжении 0,8 В и потребляет ток 0,8 мкА. Следовательно будет отлично работать в аккумуляторных устройствах, а энергопотребление её настолько мало, что даже не требуется пользоваться кнопкой подачи питания!

TS1001 также имеет относительно небольшой входной поляризационный ток, который обычно составляет 25 пА. Это совершенно низкое значение, когда дело доходит до измерения тока в диапазоне наноампер. Поскольку входное напряжение дисбаланса является постоянным во время измерения, точность не снижается из-за устранения этого значения только путем обнуления.

На принципиальной схеме ниже амперметр с активным преобразователем на основе микросхемы TS1001. Применяя разное значения резистора, разрешения варьируются от 1 мА / В до 1 мкА / В в четырех поддиапазонах. Используя любой популярный мультиметр можно измерить ток в диапазоне наноампер. Как упоминалось ранее, входной ток смещения усилителя TS1001 составляет 25 пА, поэтому самый низкий диапазон был специально выбран 1 мкА / В.

Усилитель может питаться от одного напряжения с мультиметром или использовать виртуальную массу. В случае несимметричного источника измеряемый ток должен поступать на неинвертирующий вход усилителя, чтобы напряжение появлялось на выходе. Следовательно, это решение более выгодно для измерений постоянных токов, где поляризация тока может быть заранее определена. Использование виртуальной массы, как показано на схеме ниже, позволяет измерять постоянные и переменные токи. Схема может питаться от одной 1,5-вольтовой батареи.

Поскольку приставка имеет довольно низкое произведение коэффициента усиления и предельной частоты, можно измерять только токи с низкой изменчивостью (до 60 Гц).

Точность используемых резисторов определяет точность всего измерителя. Советуем выбрать с допуском 0,1%. Также важно использовать резисторы с низким температурным коэффициентом.

Все устройство питается от одной батареи и поскольку оно используется для измерения только постоянного тока, источник питания с виртуальной массой был отложен.

Если же необходимо измерить более низкие токи или более высокие частоты, то можете выбрать другой операционный усилитель — например AD8603, который совместим с выводами TS1001 и может использоваться для измерения токов в диапазоне пикоампер.

Источник