Амперметр на оптронах
Амперметр с гальванической развязкой датчика тока
В статье будет рассмотрен амперметр постоянного тока с гальванической развязкой шунта относительно схемы измерения. Связь датчика тока со схемой измерения оптическая и осуществляется посредством транзисторных оптронов U1… U4 — TLP521.
В данной схеме используются четыре оптрона в одном корпусе — TLP521-4. Все виды преобразования сигнала с датчика тока R2 выполняются четырьмя операционными усилителями DA1… DA4, интегрированные также в один корпус микросхемы LM324. Схема амперметра показана на рисунке 1.
Основой этого амперметра послужила схема, размещенная в статье «Диоды вычисляют логарифмы и экспоненты в оптическом измерителе переменного и постоянного тока». Автор статьи, если я правильно понял — Stephen Woodward. А сама статья опубликована в бесплатном журнале «РадиоЛоцман» за 2019г. Статья интересная, все рассуждения автора о принципе работы схемы подкреплены формулами. Обязательно прочитайте эту статью для большего понимания работы схемы. Конечно, лучше сразу собирать схему из журнала, но у меня нет необходимого оптрона LTV844, а ждать пока пришлют китайцы... как-то уж долго. Поэтому я собрал и опишу принцип работы именно схемы, показанной на рисунке 1.
Применение оптической развязки сигналов позволяет измерять токи в цепях практически с любым напряжением. Например, для оптронов TLP521 напряжение изоляции находится в пределах пяти киловольт. И так, при подаче напряжения на вход схемы через светодиоды оптронов U1 и U2 потечет ток, величина которого зависит от величины сопротивления резистора R1. Нам необходим ток через каждый светодиод, равный 1 мА. Т.о. общий ток через резистор R1 должен быть равен 2 мА. При входном напряжении 30 вольт нам потребуется резистор с сопротивлением R1 = (Uвх – Uдиод)/I = (30 – 1)/0,002 ≈ 15кОм. Вообще, вместо этого резистора не плохо бы поставить стабилизатор тока на два миллиампера и тогда такой амперметр можно поставить в регулируемый по напряжению блок питания.
Хотя надо понимать, что из-за разброса параметров оптронов токи светодиодов будут разные, на разную величину будут открыты фототранзисторы. Т.е. на входах DA1 даже при нулевом токе будет присутствовать дифференциальный сигнал, но его потом компенсирует ОУ DA3, на инвертирующий вход которого, вывод 9, вместе с полезным сигналом подается и компенсирующее напряжение с резистора R6 через резистор R4 – напряжение установки нуля.
При возникновении тока нагрузки, проходящего через датчик тока R2, на нем происходит падение напряжения. Т.е. напряжение на выходе будет меньше, чем напряжение на входе, поэтому будут разными и токи светодиодов, в результате изменится и соотношение напряжений на входах 2 и 3 логарифматора DA1, что приведет к изменению напряжения на выходе 1. Это напряжение подается через разделительный диод VD3 на вход 5 второго логарифмирующего ОУ DA2 . Далее этот сигнал вычитается из идентичного логарифмированного сигнала, снятого с опорных оптронов U3 и U4, управляемых ОУ DA3. В результате получаем сигнал, который точно и линейно отображает сигнал, снимаемый с датчика тока R2. Полученный сигнал подается на масштабирующий усилитель, реализованный на ОУ DA4. Коэффициент усиления данного усилителя регулируется при помощи подстроечного резистора R11. В результате на выходе мы должны получить сигнал с зависимость 100мВ на 1А. То есть при токе нагрузки 20А на выходе схемы должен быть сигнал амплитудой 2В. В качестве индицирующего устройства может быть цифровой четырехразрядный вольтметр .
Все детали схемы смонтированы на печатной плате, ее внешний вид показан на фото ниже.
Для повышения термостабильности работы схемы все диоды логарифматоров – VD1,VD2,VD3 и VD4 смонтированы над корпусом микросхемы оптронов TLP521-4 и приклеены к нему клеящей термопроводящей пастой. Вид тюбика с пастой, приобретенного на Aliexpress, на фото слева. Шунт в схеме использован готовый на 20 ампер – 20А 75mV 0,5. В качестве стабилизаторов напряжения на ±5В использованы микросхемные стабилизаторы LM7805 и LM7905. Величина тока потребления по цепям положительного и отрицательного напряжения находится в пределах десяти миллиампер. Можно применить и менее мощные стабилизаторы серии 78L05 и 79L05.
Не люблю писать: «При правильной сборке и исправных деталях устройство начинает работать сразу». НО! Как ни странно так оно и было, хотя сомнения одолевали. Линейность показаний точно замерить пока не удалось по техническим причинам, думаю, что сделаю рабочее место и сниму данные по линейности. Но уже сейчас после небольших испытаний можно говорить о хорошей линейности от 0,7А до 11А.
Удачи. К.В.Ю.