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用二极管得出对数和指数,对交直流电流实现光学传感

2020-01-22 08:32:11 Stephen Woodward 阅读:
为了最大程度地降低电流采样电阻器引起的效率损耗和功率损耗,其电阻通常限制为毫欧级,所得IR电压为毫伏级,并且所产生的小信号可能会持续存在,需要从带有数十伏或数百伏的电源轨的共模当中提取出,并且有大噪声分量存在。这些设计挑战在许多创新拓扑和专用器件的开发中都有所反映。本文从另一个角度解决了这个经典问题。

从理论上讲,电流检测电路的设计通常是将一个电阻与待感测电流串联在一起,然后对其两端所产生的IR电压进行测量而得出。这项工作看似简单容易,但是在实践中有时会有许多复杂的因素结合在一起,而使之变得更加引人入胜。b51ednc

例如,为了最大程度地降低电流采样电阻器引起的效率损耗和功率损耗,其电阻通常限制为毫欧级,所得IR电压为毫伏级,并且所产生的小信号可能会持续存在,需要从带有数十伏(有时为数百伏)的电源轨的共模当中提取出,并且有大噪声分量存在。这些设计挑战在许多创新拓扑和专用器件的开发中都有所反映(仅后者就有52种是来自ADI!)。b51ednc

这篇设计实例从另一个角度解决了这个经典问题。它仅使用通用元件,就可以实现与任一极性的直流源以及交流源兼容的光隔离(因此具有抗共模能力)电流检测拓扑。所得到的电路可以称为通用电流传感器,由于其任何元件的成本都不超过1美元,它也很便宜。其工作方式如下(图1)。b51ednc

图1:光隔离双极性电流检测原理图。b51ednc

参考该原理图,分流电阻器Rs填补了通常的电流采样电阻的作用,在此示例中,当Rs = 5mΩ时,可将测量满量程因子设置为Is = 0.1/Rs = 20A。但是,通过选择合适的电阻器,几乎可以选择任何满量程电流。由Rs产生的电压Vs可以根据以下经典二极管方程式的变形(从制造商的数据手册I/V曲线中图表得出),通过光耦合器O1和O2的串联LED采样得到:b51ednc

IF(Amps) = e(V – 1.45)/0.065)b51ednc

LED尽管具有出色的发光能力,但在骨子里仍然只是二极管,而且只要将IF限制在其最大额定电流的约0.0001至0.1倍之内,其对数/指数功能非常精确有用。同样有用的对数/指数计算准则也适用于此处同样使用的1N4001。b51ednc

O1和O2 LED的背对背串联连接可以减去并抵消掉二极管方程中的1.45V固定项,从而使Rb所提供的偏置电流Ib(标称值为2mA)可以按比例分配:b51ednc

IF2/IF1 = e(Vs/0.065)b51ednc

它可以从Vs = 0(零电流)时的1.00变化为Vs = 100mV(20A×0.005Ω)时的e(0.1/0.065) = e(1.54) = 4.66。b51ednc

请注意,分流的比率与Ib的精度无关,因此基于比率的电流测量,其精度在很大程度上不受Ib的影响,因此不受电源电压变化的影响。还要注意比率计算对电流反转的响应能力:b51ednc

例如,在Vs = −100mV时,IF2/IF1 = e(Vs/0.065) = e(-1.54) = 1/4.66 = 0.215b51ednc

尽管这些数字会随温度的变化而变化,但只要LED的温度在它们共享的封装中相互跟踪,就与LED的温度无关。此外,由于每个LTV-844发射器实际上都包括一对相同的反并联连接LED,因此所加电压的反转只会使发射从这对LED中的一个切换到另一个,从而使电流检测功能受到影响。这样就提供了前面所提到的双极性和交流功能。b51ednc

然后,O1/O2 LED发光与IF2/IF1之比成正比,从而使得一对光电晶体管集电极电流的比率大致相同(IF = 1mA时,电流传输比约为80%)。这一对电流输入到D1和D2,就可根据1N4001版本的二极管方程生成正向电压:b51ednc

V1N4001 = 0.91 + 0.051 loge(IF)b51ednc

对两个V1N4001和值求差可得到:b51ednc

A1的输出 = Vd2 – Vd1 = ((−(0.91 + 0.051 loge(IF1)) − (−(0.91 + 0.051 loge(IF2))) = 0.051 loge(IF1/IF2)b51ednc

然后,这个信号会通过D3、D4和A2从参考光耦O3和O4所得(通过反馈放大器A3控制)相同的对数比率计算中减去。最终结果是,在使A2的输出为零时,A3为O3/O4内在计算出了驱动信号,这个信号对O1/O2处的电流检测信号实现了精确、线性的镜像。这个信号通过A4放大,成为最终的电流检测输出,并且带有一个可选的Cavg积分电容器,可以对检测交流所产生的全波整流波形进行滤波。没有Cavg,传感器的带宽大约为50kHz。使用Cavg时,在60Hz时对于<1%的纹波大约为0.8Hz(RC = 200ms)。b51ednc

输出信号的极性反映了电流是从IN向前流到OUT端口(正),还是从OUT向IN反向流动(负)。这在电池状态监视方面很有用,在这种情况下,输出信号的简单积分可反映电池净放电与充电的关系。b51ednc

零(偏移)和校准(增益)微调器可以对有源器件的生产差异提供调节和校正。二极管方程项对温度敏感的最佳消除方法是将对数比率计算二极管D1~D4安装在接近位置并且共享相同的O1~O4光耦封装,从而使热量接近。由于D1~D4模拟计算唯一真正重要的特性是其符号,这也可以简化。b51ednc

最终的电流传感器价格便宜、用途广泛并且坚固耐用,能够消除超过20倍满量程的电流瞬变(Rs热容量是限制因素)和大的共模差别(LTV-844的额定电压为5kV!)。b51ednc

W. Stephen Woodward是EDN最多产和最具创新性的设计实例作者之一,同时还是仪器、传感器和计量学方面的自由顾问。b51ednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Diodes derive logarithms and exponentials to optically sense AC/DC currentb51ednc

本文为《电子技术设计》2020年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里b51ednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 印工的微信点评很到位,把它贴过来:采用光耦隔离抑制共模,以及利用二极管的非线性与通用运放组成指数放大器解决信号倍数量程,的确是业界常用的方法
  • 虽然没看懂,但感觉好强,赞一个!
Stephen Woodward
W .Stephen Woodward是仪表、传感器和计量学自由顾问,是EDN设计实例栏目最高产且最富创意的作者之一。
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