Обязательно ли использовать инструментальный усилитель для измерения напряжения на шунте 0,01 Ом?

Вам не нужно использовать дифференциальный усилитель, если вы будете осторожны с падением напряжения, возникающим на заземлении. Если вы вернете нижний конец резистора 500 Ом в ту же точку, что и заземление чувствительного резистора, это позволит избежать большинства этих ошибок.

Тем не менее, первое, что нужно сделать для устранения такого рода проблем, — это убедиться, что напряжение на чувствительном резисторе хорошо соответствует чувствительности усилителя.

С резистором 10 мОм и максимальным током 150 мА напряжение считывания составит всего 1,5 мВ. Однако напряжение смещения LM358 находится в районе +/-3 мВ. Удвойте напряжение, которое вы пытаетесь измерить. Схема не будет точно измерять ток.

Зачем выбирать чувствительный резистор 10 мОм с панелью 12 В, если вы можете позволить себе гораздо большую нагрузку? 1 Ом будет более подходящим значением. Это дало бы максимальное напряжение считывания 150 мВ, что очень мало по сравнению с 12 В панели. Чтобы получить сигнал 3 В, требуется только усиление 20. Напряжение смещения усилителя будет давать только около 2% ошибки.

Вы также должны использовать более качественный усилитель — недорогие могут иметь смещение менее 1 мВ. Кроме того, LM358 плохо подходит для работы с напряжением 3,3 В. Поскольку его выход может находиться только в пределах около 1,4 В от положительной шины (зависит от нагрузки), выходное напряжение будет ограничено до ~ 1,9 В или меньше. Выходной операционный усилитель rail-to-rail намного лучше работает от источников питания 3,3 В.

Солнечные панели удобны тем, что, поскольку обе клеммы являются плавающими (т. е. не подключены к земле), усилитель может работать в инвертирующем режиме с подключением чувствительного резистора к отрицательному концу панели — он по-прежнему будет давать положительный выходной сигнал и дает возможность панели заряжать аккумулятор, который питает вашу схему. Я использовал этот подход на небольших приборах на солнечных батареях, где можно измерить зарядный ток батареи.

У меня также есть возможность закоротить положительную клемму на землю, чтобы можно было периодически измерять короткое замыкание для определения интенсивности солнечного излучения.

Вот пример, показывающий, как измерить зарядный ток во время зарядки аккумулятора, который может питать усилитель, а также другие схемы. Если неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к земле рядом с измерительным резистором, любой сдвиг земли ослабляется в 20 раз по сравнению с сигналом 3 вольта.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

У вас есть усилитель с коэффициентом усиления около +2000 и напряжением смещения целых +/-3 мВ при комнатной температуре. Обычно это может быть +/- 2 мВ (техническое описание onsemi). Поскольку размах выходного сигнала без нагрузки и при напряжении питания 3,3 В составляет от нескольких мВ до, возможно, 2 В, выходной сигнал с нулевым током может быть любым в пределах этого диапазона. Весь ваш полномасштабный входной сигнал составляет всего 1,5 мВ, поэтому 15 мкВ представляет собой ошибку 1%. Это очень маленькое напряжение.

Вам не нужен входной усилитель (хотя это упростит задачу и позволит сделать конструкцию более небрежной), но вы должны получить усилитель с очень низким напряжением смещения и, вероятно, выходом и входом rail-to-rail, который включает отрицательную шину.

«Земля» на R2 также чрезвычайно критична — она должна возвращаться непосредственно к чувствительному резистору, и в идеале она должна быть немного разделена как дифференциальный усилитель, но здесь это необязательно, если учитывать допуски.

Прежде всего, если вы измеряете чувствительный резистор, подключенный к проводам, то, вероятно, будет смещение земли. Вам понадобится дифференциальное измерение, чтобы справиться с этим.

Показанная схема операционного усилителя сконфигурирована для одностороннего измерения. Его необходимо настроить для дифференциального измерения, чтобы учесть смещение заземления, вызванное сопротивлением проводов. Также необходимо использовать отдельные провода для измерения тока и возврата питания (подключение по Кельвину). Если вы позволите протекать значительному току в проводах датчиков, это создаст ошибку измерения из-за сопротивления проводов.

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Кроме того, использование большого чувствительного резистора обеспечит более точные измерения. Даже что-то такое большое, как 1 Ом, было бы разумно для цепи 12 В, работающей всего на 150 мА.

Существует несколько вариантов точного измерения.

1. Усильте текущее измерительное напряжение, а затем подайте его на обычный АЦП.
   а) Используйте микросхему инструментального усилителя.
   б) Используйте обычный операционный усилитель, сконфигурированный для дифференциального измерения.
   c) ИС усилителя измерения тока.
   
2. Используйте АЦП, предназначенный для измерения тока, и Analog Devices, и приборы Texas производят для этой цели АЦП с малыми входными диапазонами.

На самом деле вам нужно что-то лучшее, чем то, с чем вы работаете. tl, dr: вам нужен лучший операционный усилитель и лучший дизайн. Мы вернемся к этому через мгновение.

С другой стороны, вам не нужен инструментальный усилитель , который представляет собой специальную установку, состоящую из 3 операционных усилителей (2 повторителя и один дифференциальный), которые используются для усиления сигналов с высоким импедансом . Измерение тока с помощью низкоомного шунта — это не то.

Во-первых, давайте коснемся того, что сейчас происходит не так.

Я понимаю желание использовать чувство низкого значения на низкой стороне. Вы пытаетесь устранить смещение земли в Bluepill. Вы также хотите ограничить входной диапазон LM358 его шинами питания (и по крайней мере на 1,5 В ниже + шины). Это распространенный подход, который позволяет вам использовать обычный операционный усилитель, если требуемое усиление невелико. . LM324/358 отлично подходит для этого, если вы понимаете его ограничения.

Но у вас есть небольшая проблема с XY. Выбранное вами качество операционного усилителя, несимметричная топология, низкое значение чувствительного резистора и огромный коэффициент усиления (Av = 2000), который вы требуете от этого операционного усилителя, — все это сговаривается против вас и делает вашу жизнь намного сложнее, чем она. должно быть. Это входное смещение LM358 убивает вас, подавляя крошечное напряжение считывания, с которым вы пытаетесь работать. Это старое дешевое устройство, не очень подходящее для точных измерений.

Тогда давайте переформулируем подход. Итак, пять вещей:

• Чувство на высокой стороне, так что никакого смещения земли. Позволяет второе...
• Используйте более реалистичное чувствительное значение, масштабированное для вашего тока (например, 2 Ом).
• Используйте дифференциальный усилитель, который вам все равно придется делать с высокой стороной.
• Используйте меньшее усиление (не более Av=50), чтобы входное смещение не убивало вас.
• Используйте лучший операционный усилитель с меньшим входным смещением

Возможно, вы могли бы сделать все это с помощью операционного усилителя, обладающего «чрезмерными» возможностями, и построить классическую схему дифференциального считывания. Maxim и Analog производят несколько операционных усилителей, которые могут работать с синфазным сигналом выше, чем шина V+ операционного усилителя, например, LT6015 .

Но... существуют превосходные специальные усилители, разработанные специально для измерения тока : с малым смещением, могут использоваться как на стороне низкого, так и на высоком уровне, а также поддерживаются синфазные сигналы "сверху".

Я использовал LT6105 на стороне высокого напряжения +12 В с хорошими результатами. LT6105 имеет выходной сигнал источника тока, поэтому очень легко масштабировать диапазон напряжений в соответствии с требованиями вашего АЦП, просто заменив нагрузочный резистор. В вашей системе он может питаться от источника питания Bluepill, от вашего входного напряжения или от любого удобного источника питания, который обеспечивает достаточный диапазон соответствия напряжения.

MAX4173 позиционируется как «недорогой» и находится в корпусе SOT23-6, настолько маленьком, меньше, чем LM358, который вы сейчас рассматриваете . То же самое с блоком питания, ему все равно, так как он тоже «сверху».

Есть и другие, но вы поняли. Это популярный тип устройств.

С этим небольшим шунтирующим резистором вы получаете крошечные напряжения, которые требуют особого внимания при измерении. Как уже упоминалось, вам нужны усилители с очень низким напряжением смещения и дрейфом, например усилители с прерывателем, такие как LTC1049 или LTC1050 (я однажды использовал их для аналогичного приложения, чтобы измерить 400 А именно для магнита MRT). Измерение таких низких напряжений возможно, но необходимо учитывать термоэлектрические эффекты, тщательно контролируя температурные градиенты и выбирая комбинации материалов с низкими термоэлектрическими коэффициентами. Если не измеряются токи в диапазоне 100 и более ампер, просто выберите больший шунт. Выберите сопротивление, которое обеспечивает приемлемое рассеивание мощности (например, 0,5 Вт) при максимальном токе.

Схема представляет собой хорошо известное применение операционных усилителей (биполярные источники питания). Выходное напряжение отрицательное, но его можно изменить с помощью классического инвертирующего усилителя. Активная виртуальная точка заземления может использоваться для однополярного питания (независимого!) измерительной системы.

Предлагается также с очень малым смещением ОУ GS8333 (?) (не тестировалось, смещение упрощено) или OP2189.

Показан со схемой компенсации всех смещений (переключатель включен, схема двойного смещения для легкой настройки).

Настройка усиления резистора также «удваивается». Соблюдайте осторожность при скручивании входных кабелей и источников заземления вблизи отрицательной точки источника 15 В. Так же, как схема подключения Кельвина.

Ан с использованием инструментального ОУ AD620 (имитация)