Применение ОУ Опции

[Motion]

Нашёл интерестную статью по датчикам тока  Shunt.pdf ( 395.05 килобайт ) Кол-во скачиваний: 2153


Например INA169 мне вроде как подходит.  INA169.pdf ( 200.79 килобайт ) Кол-во скачиваний: 261
Но стоит она немало ($5). Оправдано ли это? Если можно тоже самое реализовать на обычном ОУ.

[smk]

Я предлагаю до 3.5В не дотягивать (это не всегда гарантируется), а ограничится 3.0В

Совершенно верно. Опорное для АЦП сделать поменьше и все будет ОК. В случае с AVR опорное можно сделать 2,56 В.

[=AK=]

Эта схема?:

Эсли да, тогда мне непонятно куда что подключается. Поясните, пожайлуста.

Если хотите неинвертированный сигнал, то V2 подключается к "горячему" выводу шунта, V1 - к "холодному", а нижний вывод Rg подключается не к земле, а к половине питания.

Если хотите инвертированный сигнал, то V1 подключается к "горячему" выводу шунта, V2 - к "холодному", а нижний вывод Rg все равно подключается не к земле, а к половине питания.


Вместо того чтобы вводить еще один источник величиной в половину питания, проще всего использовать такую схему

R1 = R4
R2 = R3 = 2*R6

И намного ли лучше эта схема?

Намного.

[Baser]

На втором полупериоде сетевого напряжения на неинвертирующем входе ОУ будет отрицательное напряжение. Допускается ли такое? Если нет - можно ли как-то защитить схему? Например вот так:

После выхода ОУ стоит RC-цепочка (ФНЧ) и стабилитрон (на 5,1В) для защиты линия порта от перенапряжения.

Отрицательное напряжение (ниже нижнего напряжения питания) как правило НЕ допускается.
Входы нужно защищать до ОУ, а не после, потому что и ОУ и МК питается от одного напряжения.
Шунт диодом шунтировать не нужно. После шунта R=10k -> диоды шоттки на +5V и GND -> R=1k -> вход ОУ. После ОУ -> R=1k -> C=1nF -> вход АЦП.

Эта схема?:

Эсли да, тогда мне непонятно куда что подключается. Поясните, пожайлуста.
И намного ли лучше эта схема?

Дифференциальное включение нужно, когда шунт не имеет общей точки с землей АЦП. Это включение позволяет преобразовать разность двух напряжений в напряжение относительно земли.
Можно также сместить землю шунта на половину питания АЦП и измерять как положительную, так и отрицательную полуволны входного напряжения. Только нуль при этом будет в центре диапазона АЦП.

О шунте: насколько я понимаю, шунт - это резистор, позволяющий измерять ток в цепи. Выбириается он таким образом, чтобы потери на нём были ничтожны. Знаю, что есть специлизированные мощные низкоомные резисторы. Посоветуйте несколько.

Например, если я возьму шунт на 0,1Ом, а ток в цепи будет меняться от 0 до 5А, то напряжение на шунте будет меняться от 0 до 500мВ. При этом сопротивление нагрузки будет 220В/5А=44Ом, что в 440 раз больше, чем сопротивление шунта. То есть лишь незначительная часть сетевого напряжения упадёт на шунте, что допустимо.

Вычисление мощности - 5А*0,5В = 2,5 Вт. То есть мне подойдёт шунт 0,1Ом минимум на 2,5Вт.

Правильны ли мои расчёты?

Расчеты правильные, только мощность в 2.5 Вт на шунте великовата. То, что вы говорили раньше подходит лучше: 20 мОм, 100 мВ, 0.5 Вт. Можно еще меньше, только нужно тогда лучше фильтровать от помех, посколько цепи силовые. Коэф. усиления ОУ ~30

[Motion]

Что у меня получилось:

Схема:


В качестве шунта выбрал WSL1206, сопротивлением 0,02Ом , мощностью 0,5Вт.

При максимальном токе 5А, падение на шунте будет 0,02Ом*5А=0,1В

Чтобы на выходе ОУ получить 3В, необходимо усилить сигнал в 30 раз (3В/0,1В=30). То есть коефициент усиления К=30. Возьмём сопротивление R2=50кОм. Получим К=1+R2/R1 => R1=R2/K-1 => R1=50кОм/30-1=50000Ом/29=1724Ом. Берём ближайший по ряду - 1,8кОм (типоразмера 1206, мощностью 0,250Вт).

В качестве ОУ беру LM358. Запитывать его буду +5В взятых с AC/DC преобразователя BP5041A5


Верны ли мои расчёты и правильно ли подобраны электронные компоненты?


Единственное, что мне не понятно - как защитить вход ОУ от отрицательного напряжения. Схему, пожайлуста.

Насколько я понял, я взял обычное неинвертирующее включение ОУ (самое простое решение). Так как шунт одной ножкой на земле, то я могу использовать свою схему. Если бы у меня шунт стоял не относительно земли, то нужно было бы использовать диферинциальное включение, верно? Либо использовать специализированые микросхемы.

Сообщение отредактировал Владимир_КПИ - Jan 30 2008, 19:22

[Baser]

В качестве шунта выбрал WSL1206, сопротивлением 0,02Ом , мощностью 0,5Вт.
При максимальном токе 5А, падение на шунте будет 0,02Ом*5А=0,1В

Номинальную мощность шунта желательно выбирать с запасом. Рекомендую применить шунт на 1 Вт

Единственное, что мне не понятно - как защитить вход ОУ от отрицательного напряжения. Схему, пожайлуста.

Я вам выше подробно словами описал.

Если бы у меня шунт стоял не относительно земли, то нужно было бы использовать диферинциальное включение, верно? Либо использовать специализированые микросхемы.

Да так, хотя дифф.схема обеспечивает лучшую фильтрацию помех.

[Motion]

Вы говорили, что если питание будет +5В, то на выходе максимум получу 3,5В. А где в описании это указано?

Если на входе у меня будет очень маленькое значение, например, 0,001 мВ - будет ли у меня на выходе этой же сигнал усиленный в к раз? Слышал, что есть ОУ, у которых, например, при питании +5В зона чувствительности по входу находиться в диапазоне +0,5В....4,5В.

И что такое напряжение смещения?

Попытался изобразить схему из ваших слов, получилось вот это:


Правильно ли?

[Baser]

Вы говорили, что если питание будет +5В, то на выходе максимум получу 3,5В. А где в описании это указано?

В DataSheet на LM358
У National Semi хорошие описания с большой секцией примеров применения.
Интересующий вас параметр: Input Common-Mode Voltage Range: 0... (V+)−1.5V
При питании V+ = 5V, Vicm = 5-1.5 = 3.5V max

Если на входе у меня будет очень маленькое значение, например, 0,001 мВ - будет ли у меня на выходе этой же сигнал усиленный в к раз? Слышал, что есть ОУ, у которых, например, при питании +5В зона чувствительности по входу находиться в диапазоне +0,5В....4,5В.

Как раз этот параметр и определяет диапазон рабочих входных напряжений. Он начинается от нуля. Почитайте DataSheet:
"Allows direct sensing near GND and VOUT also goes to GND"

И что такое напряжение смещения?

А вот напряжение смещения вам всю идеальную малину и испортит.
Это напряжение ошибки, определяемое схемотехникой ОУ, которое присутствует "внутри входа ОУ" и добавляется к входному напряжению.
Input Offset Voltage = +- 2...5 mV
Если его не компенсировать, то при входном напряжении, напр. 0.10V на выходе может быть (при Ku=30)
2.85V ... 3.15V (в зависимости от попавшегося экземпляра ОУ)
Так что вам нужно будет калиброваться уже при помощи МК. Или делать аналоговую коррекцию смещения. Или применять ОУ с малым смещением. На выбор.

Попытался изобразить схему из ваших слов, получилось вот это:
Правильно ли?

Еще один диод на +5V забыли. Для защиты входа от напряжения больше питания.

[Motion]

У меня получилась такая схема:


Что понятно:
R1 -шунт
R4,R5 задают коефициент усиления
R6,С1 - ФНЧ
VD3 - стабилитрон, защищающий линию МК от перенапряжения


НЕ ПОНЯТНО:

Назначение элементов R2,R3,VD1,VD2 (и правильно ли подключены диоды?)
И объясните, на самом простейшем языке, как отсекается отрицательное напряжение с входа ОУ.



А можно для защиты от перенапряжения использовать не диод Шотки, а стабилитрон?


Схема в MS Visio  Shunt1.rar ( 40.18 килобайт ) Кол-во скачиваний: 162

[=AK=]

У меня получилась такая схема:

Анод D2 д.б. подключен к катоду D1, катод D2 - к +5 питания

А теперь сравните с нарисованной мною схемой дифф. усилителя, который не боится отрицательных напряжений безо всяких защит:
- в диф усилителе на одну деталь меньше
- не нужны диоды, а ведь диоды Шоттки в десятки-сотни раз дороже резисторов
- не нужен rail-to-rail ОУ, сгодится дешевый обычный.
- дифф.усилитель позволяет мерять ток как в положительном, так и в отрицательном полупериодах
- дифф. усилитель меряет ток точнее, поскольку на точность не влияет падение напряжения на земляных проводниках.

Ведь только студенты и ламеры думают, что сопротивление земли равно нулю. Поэтому стОит им подключить шунт к земле, то потенциал нижнего конца шунта сразу же станет равным нулю, даже если они разведут землю тончайшими проводниками.

VD3 - стабилитрон, защищающий линию МК от перенапряжения

Неоткуда там взяться перенапряжению. ОУ с питанием +5В не может выдать на выходе больше +5В. Стабилитрон не нужен.

[Motion]

Схема:


Какие номиналы элементов посоветуете? И какой ОУ подойдёт для этой схемы?

Подойдёт ли шунт на 0,02 Ом?

Как работает сзема?

Что будет на выходе? При протекании тока в одном направлении на выходе будет напряжение от 2,5...5В, в обратном - 0...2,5В?

[Motion]

А если поступить проще:

Использовать встроеные в АЦП МК дифферинциальные входы с коефициентом усиления 10.

Взять внутренний источник опорного напряжения 2,56В. Делим на 10 - получаем 0,256В. То есть при максимальном токе 5А получаем 256мВ.

Рассчитаем сопротивление шунта - 0,256/5А=0,05Ом

И тогда не нужно ОУ.

Как такой вариант, подойдёт для решения моей задачи?

[Baser]

И объясните, на самом простейшем языке, как отсекается отрицательное напряжение с входа ОУ.
А можно для защиты от перенапряжения использовать не диод Шотки, а стабилитрон?

Подайте мыслено на вход отрицательное напряжение и подумайте, как при этом будет включен диод.
Стабилитрон в данном случае применять нельзя, т.к. он кремниевый и обратное падение напряжения на нем может доходить до -1V. А ОУ типа LM358 не любит на входе отрицательных напряжений меньше -0.3V

Как работает сзема?
Что будет на выходе? При протекании тока в одном направлении на выходе будет напряжение от 2,5...5В, в обратном - 0...2,5В?

Да. А вообще, для понимания принципа работы типовых схем сначала почитайте учебники. Поняв формулы расчета, попробуйте промоделировать на любом программном симуляторе. Тогда и не будут возникать сотни вопросов сразу.

А теперь сравните с нарисованной мною схемой дифф. усилителя, который не боится отрицательных напряжений безо всяких защит ...

С уважаемым =AK= спорить бессмысленно, поскольку его опыт аналоговой схемотехники несравним с моим Да и просто он прав, получается что в вашем случае действительно лучше применить дифф.усилитель и не заморачиваясь с напряжением смещения все откалибровать на МК.

Единственно, что хочу заметить, входы ОУ все равно защищать придется.
Да и фраза

- не нужен rail-to-rail ОУ, сгодится дешевый обычный.

непонятна: что может быть дешевле LM358

[=AK=]

Единственно, что хочу заметить, входы ОУ все равно защищать придется.

Я думаю, не нужно.

Во-первых, размах тока в шунте, необходимый для того, чтобы ОУ вышел за предельно-допустимый режим, должен быть такой величины, что сгорит симистор, так что исправно работающий ОУ никому больше не будет нужен. Предположим, шунт выбран 0.02 Ома. Тогда для получения падения в -2.8 В ток через него должен быть -140 А. Напряжение -2.8 В складывается из 2.5 В смещения на + входе ОУ и -0.3 В предельно-допустимого на входе относительно - питания. Для положительной полуволны ток должен быть еще больше, поскольку для семейства LM358 предельно допустимое равно 32 В при любом напряжении питания. (PS: про "2.5 В смещения на + входе ОУ" я соврал, даже при единичном усилении там будет не 2.5В, а всего 1.25В, но идея, я думаю, ясна)

Во-вторых, это диплом, надо стараться не вводить новые сущности.

Да и фраза непонятна: что может быть дешевле LM358

Ну, может, это я для красного словца и для общности рассуждений так сказал. А если формально - так вот, LM2904 , не 14 центов, а всего 11

[Motion]

Итак, схема такая:


В качестве ОУ возьму LM358. Теперь нужно разобраться с обвязкой.

Насколько я понимаю, соотношение R6/R4 даёт нам коефициент усиления.

Тогда согласно посту №18, возьму R1=R4=10кОм. В качестве опорного напряжения АЦП буду использовать внутрений источник опорного напряжения(2,56В). Если в качестве шунта возьму резистор номиналом 0,02Ом, тогда при токе 4,54А (мощность 1кВт) - это действующее значение - домножаем на 1.4 - получаем 6,3А (амплитудное), на шунте упадёт 0,02Ом*6,3А=126мВ.

Тогда расчитаем необходимый коефициент усиления. К=2,56В/0,126В=20. Возьмём немного меньше на всякий случай - 18. Тогда на шунте максимум упадёт 2,26В

Исходя из расчётов R6/R4=18 => R6 = R4*18=10000Ом*18=180кОм

Снова исходя из формулы поста №18 получем:

R2=R3=2*R6 => R2=R3=360кОм


Смоделировал в EWB. Вот что получилось:


Из осцилограмм первого осцилографа видно, что при действующем токе 4,6А (по моим расчётам 4,5А) на нагрузке падает 310В, а на шунте 132мВ (по моим расётам 126мВ). То есть на шунте напряжение меняется от от -132мВ до 132мВ.

Далее напряжение с шунта необходимо усилить. В каком диапазоне на выходе оно должно меняться? От 0 до 5В или от 0 до 2,56В? Какое опорное напряжение АЦП брать?

По графику с выхода ОУ видно, что я что-то неправильно расчитал или сделал. Получилась какая-то "лабуда".

По идее при положительной полуволне напряжение должно меняться от 2,5 до 5В, при отрицательной от 0 до 2,5В, верно?


Да, ещё такой вопрос - как защитить вход АЦП МК от отрицательного напряжения снимаемого с датчика напряжения (делителя). Схема:


Спасёт ли диод? Или он будет держать на себе -0,7В, что тоже не приемлемо?

Сообщение отредактировал Владимир_КПИ - Feb 2 2008, 08:32