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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

时间:2020-01-22 作者: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。pb8ednc

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!)。pb8ednc

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)。pb8ednc

图1:光隔离双极性电流检测原理图。pb8ednc

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:pb8ednc

IF(Amps) = e(V – 1.45)/0.065)pb8ednc

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。pb8ednc

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:pb8ednc

IF2/IF1 = e(Vs/0.065)pb8ednc

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。pb8ednc

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:pb8ednc

例如,在Vs = −100mV时,IF2/IF1 = e(Vs/0.065) = e(-1.54) = 1/4.66 = 0.215pb8ednc

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。pb8ednc

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:pb8ednc

V1N4001 = 0.91 + 0.051 loge(IF)pb8ednc

对两个V1N4001和值求差可得到:pb8ednc

A1的输出 = Vd2 – Vd1 = ((−(0.91 + 0.051 loge(IF1)) − (−(0.91 + 0.051 loge(IF2))) = 0.051 loge(IF1/IF2)pb8ednc

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)。pb8ednc

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。pb8ednc

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。pb8ednc

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!)。pb8ednc

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。pb8ednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Diodes derive logarithms and exponentials to optically sense AC/DC currentpb8ednc

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pb8ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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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