помощь в проектировании токового шунта на ОУ

Marik04

Здравствуйте, дорогие товарищи!
Нужна помощь в конструировании усилителя токового шунта. Собираю я лабораторный блок питания из того что валяется под руками, за одно изучаю работу ОУ (операционного усилителя). Значит задача: сконструировать усилитель шунта. Входные данные: примерное сопротивление шунта 0.1 Ом (замерить нечем, при токе 1 А падение составило 0.109 В), максимальный ток 3А, выход усилителя нужен от 0.015 до 3 вольт. Напряжение питания ОУ 5В или 24В Желательно что бы все таки 0 Ампер составляло 0.015.....0.020 Вольт, так как использую китайский вольтметр (без входных делителей), а там показания самого младшего разряда начинается от 0.02 В то есть показания будут х.ххх Ампер. Еще нужна хорошая линейность. Нашел у себя микросхему AD623a в даташете указано от рельсы до рельсы, но мне нужно до 3 В. Собрав схему (ниже прилагаю) выяснилось: линейность хорошая до одного вольта на выходе, так например при 0.100В на входе, на выходе получаю 1 В, а при 0.2В уже 1.4В, при 0.3 В получается 1.8В.
Вопрос знающим почему вылазит такая нелинейность? может что то я не прочитал в даташете: http://www.analog.com/media/en/technica ... /AD623.pdf ткните носом в нужную страницу.
Пробы вал поставить еще один ОУ, под рукой оказался OP279, и коэффициент усиления разделить на два операционника, но тут вылезла еще одна проблема: при одно полярном питании на выходе AD623 напряжение составляет 0.005 В, а второй ОУ его усиляет и получается больше чем 0.02В что на вольтметре уже не "0".

В протеусе так же при эмуляции больше 1 вольта на выходе начинаются проблемы вплоть до зависания программы.

Подскажите хорошую схемку токового усилителя под мои параметры, показания должны быть линейны в диапазоне 0.001 А до 3.500 А.
Посматриваю на MAX4362, только цена больно кусается.

Реклама

El-Eng

Судя по вашей схеме, у AD623 нет развязывающей емкости в цепи питания. Это может вызвать самовозбуждение, которое и проявляется в виде нелинейности при измерении выходного напряжения вольтметром. Поставьте керамический конденсатор в 0.1мкф между выводами 7 и 4 микросхемы, как можно ближе к выводам, и посмотрите, что получилось.

Да, AD623 не операционный, а инструментальный усилитель. Он вполне достаточен, даже избыточен для вашей задачи.

Реклама

Marik04

Конденсаторы стоят, забыл нарисовать 0.1 возле 7 и 4, 100 микро на входе параллельно ему еще один 0.1. Конденсаторы картину не меняют хорошая линейность только до 1 Вольта на выходе, я не понимаю почему? Похожую схему продают и китайцы https://ru.aliexpress.com/item/DC-Micro ... .28.JW6ZaJ

El-Eng

А как вы, вообще, измеряете? Что является источником входного сигнала? Если напряжение на шунте, то проверьте, действительно ли оно постоянное, нет ли пульсаций, особенно на большом токе? Хорошо бы посмотреть осциллографом.

Реклама

Vovk_Z

Сейчас проще купить готовьій китайский амперметр, и не мучить ни себя, ни микросхемьі.

Добавлено after 20 minutes 38 seconds:

Marik04 писал(а): Нашел у себя микросхему AD623a в даташете указано от рельсы до рельсы, но мне нужно до 3 В. Собрав схему (ниже прилагаю) выяснилось: линейность хорошая до одного вольта на выходе, так например при 0.100В на входе, на выходе получаю 1 В, а при 0.2В уже 1.4В, при 0.3 В получается 1.8В.

Необходимьій Ку = 10, єто резистор 11 кОм, или 10+1 кОм.
Ref (pin5) - посадить на землю, для начала. Причем, точку подключения - нужно поискать.
Pin2 - подключить к шунту, а не куда-то, хз куда, на общий провод.

Ну и, чисто для себя, измеряйте потенциальі в разньіх точках общего провода, увидите что там везде не много разньій потенциал, что сильно влияет на точность работьі.

Реклама

Marik04

Источником является падение напряжения на манганиновом шунте (взятого из магазина сопротивления Р-4831), блок питания промышленный dr4524. измерение происходит с помощью мультиметра UT70B включенного последовательно с шунтом и нагрузкой (нихромовая спираль и или резисторов) выход усилителя периодически контролирую DT-830B и китайским вольтметром https://ru.aliexpress.com/item/4-Digit- ... d=15370310 предворительно проверенном на калибраторе (точность порадовала лучше чем UT70b) с вольтметра выпаян делитель 1:10, входной нагрузочный резистор (тот что вход-корпус) заменен с 10к на 100к.
Эксперименты показали что 2 ногу АD623 можно не соединять с общим корпусом, так же добавлен конденсатор между 2, и 3 ногой микросхемы (не повлиял на результат). Сегодня попробую собрать на проводках обычный усилитель шунта используя ОР279 (проверю линейность такой схемы), о результатах отпишусь.

Добавлено after 12 minutes 52 seconds:
Согласен что легче купить чем самому делать, но есть одно но, мне нужно амперметр на 4 цифры с циной деления 1мА максимальным измерением 3А. Да и самообучение на практических задачах это большой плюс. И если все покупать зачем вообще что то делать, так можно купить готовый прибор и все? Я покупаю по минимуму и использую то что "валяется" под ногами.

Реклама

El-Eng

Я порекомендовал бы проверить линейность классическим методом, подав на вход просто напряжение, например, через делитель с резисторами в сотни ом - килоомы.
Я проверил вашу схему на модели (PSPICE), чтобы убедиться, что она рабочая. Там все нормально, единственное, как и у вас, есть проблема со сходимостью в районе 1.4В выходного напряжения при Rg порядка 10к, но это - проблема модели, она не имеет отношения к реальному устройству.

Marik04

Мне тоже пришла идея временно отказаться от шунта, сейчас как раз провожу эксперимент с делителем, и 5 пин на землю.

Добавлено after 44 minutes 4 seconds:
С делителем получилось примерно (сложно выставить нужные мили вольты) та самая нелинейность, использовал другой (не импульсный) блок питания на 5В. Заменил AD523 на другую тоже самое. Уже начинаю верить что инструментальный усилитель не линейный во всем диапазоне выхода. Вечером проверю обычный ОУ OP279.

Vovk_Z

Marik04 писал(а): Согласен что легче купить чем самому делать, но есть одно но, мне нужно амперметр на 4 цифры с циной деления 1мА максимальным измерением 3А.

1. Вот вольтметр-амперметр, в одном флаконе, с переменной ценой деления 0,1 мА и 1 мА.
2. Вот чисто амперметр, пять разрядов, 3.0000 А

El-Eng

Marik04 писал(а):Уже начинаю верить что инструментальный усилитель не линейный во всем диапазоне выхода.

Я, видимо, нашел возможный источник проблемы с линейностью AD623 в вашем случае - клиппинг промежуточных каскадов. Об этом подробно написано на стр. 22 даташита по вашей ссылке.
Похоже, что в вашем случае лучше использовать обычный ОУ.

Feodor76

На MCP6022 собирал усилитель шунта(0,051Ом) от 1мА до 0,999А(кратно 1мА) - КУ=80(10 бит АЦП микроконтроллера). На второй диапазон от 1,00А до 9,99А(кратно 10мА) параллельно этому же шунту стоял ещё один усилитель но на LM358 - КУ=16. Плюс ион на 4,096В. Само собой диапазоны переключались автоматом. Не такие и дорогие чипы.
Суть в том чтобы задать изначальное смещение и использовать схему преобразователь напряжение-ток. В итоге будет линейное усиление во всём диапазоне.

vlasovzloy

а сам шунт сопротивление не изменяет при нагреве?

El-Eng

Считайте, что нет. Манганин имеет ТКС порядка (1-2)Е-5, что соответствует изменению сопротивления на 0.1-0.2% при изменении температуры на 100 градусов.

error

Marik04 писал(а):...Вопрос знающим почему вылазит такая нелинейность? ...

Потому что слоган "Rail-to-Rail" обещает лишь то, что ОУ будет вести себя относительно культурно при приближении к "рельсам", то есть, например, что не самовозбудится или не перевернёт фазу. Всё! Никакой гарантии сохранения линейности или других характеристик.

ИМХО, использовать AD623 для этой цели - могучий изврат. Зачем инструментальный? Для токового шунта надо прежде всего с малым дрейфом и офсетами.

Я обычно пользую INA250 (меряет плюсовую ветвь до 36В), раньше везде тыкал ZXCT1010. Если очень хочется от АД, то можно специализированные AD626, AD628, AD629б AD8202, AD8205б AD8210. Благо, выбор специализированных чипов в последние лет 15 растёт по экспоненте )))

Vovk_Z

error писал(а):
Marik04 писал(а):...Вопрос знающим почему вылазит такая нелинейность? ...
Потому что слоган "Rail-to-Rail" обещает лишь то, что ОУ будет вести себя относительно культурно при приближении к "рельсам", то есть, например, что не самовозбудится или не перевернёт фазу. Всё! Никакой гарантии сохранения линейности или других характеристик.

при питании 5 Вольт, AD623 гарантирует линейность с точностью 0,35%, при вьіходньіх напряжениях от 0,05 Вольт до 4,5 Вольт. Т.е. ничего не нужно вьідумьівать, все описано.

error

Так точно: по выходу (а мы ещё не знаем, обусловлена ли эта нелинейность входом или выходом или внутренними каскадами) "от 0,05 Вольт до 4,5 Вольт". А автор хочет получать от 15 милливольт. В любом случае получить такой прибор

показания должны быть линейны в диапазоне 0.001 А до 3.500 А

т.е. 70дБ без поддиапазонов - без шансов.

Да, согласен, это не объясняет эту нелинейность:

при 0.100В на входе, на выходе получаю 1 В, а при 0.2В уже 1.4В, при 0.3 В получается 1.8В

Тут чтоб разобраться, надо лезть внутрь ОУ и мерять все его напряжения, что не представляется возможным ))) Может внутренние ОУ по входам или выходам не такие уж рельс-ту-рельс. Хто его знает...

ИМХО, измерительному усилителю тут делать нечего.

Feodor76

error писал(а): т.е. 70дБ без поддиапазонов - без шансов.

У меня от 0,001 до 0,999 было всё линейно.

error

А почему б не было линейно? Конечно будет. Это какой-то баг того опера. А MCP6022 - вполне нормательный ОУ, главное - обычный, в смысле не измерительный. И всё, что в нём происходит - понятно...

Хотя, интересный момент:
От 1мА до 1А на шунте 0,051В получаем 51мкВ...51мВ, умноженных на 80 - 4,08мВ...4,08В. Так?
Вверху диапазона всё ОК. Но внизу, учитывая офсет опера, в 10 раз больший, чем усиливаемый сигнал, встаёт вопрос о точности измерения. Ну и плюс измерение 4 милливольт 10-битным АЦП МК - это тоже равносильно рандомайзеру ))) Шютка.

Feodor76

error писал(а):4,08мВ...4,08В. Так?
измерение 4 милливольт 10-битным АЦП МК - это тоже равносильно рандомайзеру

Путём настройки КУ доводим до 4,00мВ на 1,0мА.
Далее ИОН на 4.096В. А значит 4096/1024 получим 0,004В на единицу. Т.к. у нас 1024 значения ЦАПа, то первые 24 пускаем на смещение опера. И настраиваем смещение 24*4=96мВ.
Т.е. 24АЦП=0.000А, 25АЦП=0,001А 26АЦП=0,002А и т.д.
То есть смещение убивает двух зайцев, и опер работает от 0 на шунте, и АЦП работает не с 0. Ну а если в коде добавить померить АЦП раз так 10-100, сложить всё, а потом поделить на эти же 10-100. То в итоге погрешность измерения, в сравнении с "эталонным" миллиамперметром, была в районе +/-1-2мА. Что для такого диапазона и стоимости деталек отличная. Уменьшить диапазон, можно ещё точнее мерить. Но опять же, тут слабое звено АЦП. Покупаем копеечный 12битный по I2C и результаты станут точнее или диапазон вырастает в 4 раза. Кому что нужно. Но что то одно.

Vovk_Z

error писал(а):Да, согласен, это не объясняет эту нелинейность:
при 0.100В на входе, на выходе получаю 1 В, а при 0.2В уже 1.4В, при 0.3 В получается 1.8В
Тут чтоб разобраться, надо лезть внутрь ОУ и мерять все его напряжения, что не представляется возможным ))) Может внутренние ОУ по входам или выходам не такие уж рельс-ту-рельс. Хто его знает...

- та ничего подобного. Если ТС не сжег еще ОУ, то достаточно просто правильно все подключить. Я почти гарантирую, что ТС просто тыкается там непонятно куда, и соответственно - непонятно что и как усиливает и измеряет.