Вимірювач електричного струму

1. Вимірювач електричного струму, який містить шунт, що є датчиком струму, і підсилювальний пристрій, вхідний і загальний виводи якого підключені до виводів шунта, який відрізняється тим, що підсилювальний пристрій споряджений колом паралельного негативного зворотного зв'язку. 2. Вимірювач за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювальним пристроєм є операційний підсилювач, колом паралельного негативного зворотного зв'язку - ланцюг опору, що включений між інвертувальним входом і виходом підсилювача, і резистор, один вивід якого підключений до інвертувального входу підсилювача, другий є вхідним виводом підсилювального пристрою, а неінвертувальний вхід підсилювача підключений до загального виводу. 3. Вимірювач за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювальним пристроєм є диференційний підсилювач, колом паралельного негативного зворотного зв'язку -ланцюг опору, що включений між одним входом і інвертувальним до нього виходом підсилювача, і резистор, один вивід якого підключений до цього входу підсилювача, другий є вхідним виводом підсилювального пристрою, а другий вхід підсилювача підключений до загального виводу. U 2 (11) 1 3 13320 4 вмикають послідовно з ланцюгом струму; гальнений прототип, запропонувати корисну мопідсилювальний пристрій, що керується напрудель вимірювача струму (зокрема, як складову частину вимірювачів електричної потужності і лігою і має великий вхідний опір·( Rвх 320кОм для чильників електроенергії), який не мав би його мікросхеми ADE7757A [1, с. 3]), вхід якого підклюнедоліків. чений паралельно до датчика; Згідно з поставленою задачею пропонується: інші складові частини, але вони не є предме1. Вимірювач електричного струму, який містом розгляду. Шунтом може бути резистор типу тить шунт, що є датчиком струму, і підсилювальBVD фірми Isabellenhutte (Німеччина), який призний пристрій, вхідний і загальний виводи якого начений для цього: підключені до виводів шунта, який відрізняється [3] ISA-PLAN® - Precision resistors for energy тим, що підсилювальний пристрій споряджений metering. Type BVD. Isabellenhutte Heusler GmbH колом паралельного негативного зворотного зв'язKG, 2000 (www.isabellenhuette.de). ку. Через шунт протікає струм, що вимірюється. 2. Вимірювач за п. 1, який відрізняється тим, Падіння напруги на шунті що підсилювальним пристроєм є операційний підUш=IRш, (1) силювач, колом паралельного негативного звороде I, Rш - вказаний струм та опір шунта. Суттєтного зв'язку - ланцюг опору, що включений між вим є те, що на шунті розсіюється потужність інвертувальним входом і виходом підсилювача, і 2 Рш=IUш=I Rш, (2) резистор, один вивід якого підключений до інверщо дорівнює, наприклад, Рш=0.8 Вт, якщо туючого входу підсилювача, другий є вхідним виI=40А, Rш=0,5мOм і, відповідно, Uш=20мВ [3]. водом підсилювального пристрою, а неінвертуваПершим недоліком першого аналогу є те, що льний вхід підсилювача підключений до вказане розсіювання йде на шкоду вимірювачу. Це загального виводу. не тільки збиток електроенергії, але ж і тепловий 3. Вимірювач за п. 1, який відрізняється тим, перегрів приладу і, як результат, погіршення точщо підсилювальним пристроєм є диференційний ності вимірювання і таке інше. підсилювач, колом паралельного негативного звоПідсилювальний пристрій, що належить до ротного зв'язку - ланцюг опору, що включений між складу вимірювача (першого аналога), не потреодним входом і інвертувальним до нього виходом бує струму на своєму вході. Він керується напрупідсилювача, і резистор, один вивід якого підклюгою, його вхідне коло є високоомним, а це є причений до цього входу підсилювача, другий є вхідчиною підвищення рівня шуму. Наявність шуму ним виводом підсилювального пристрою, а другий погіршує динамічний діапазон (відношення сигвхід підсилювача підключений до загального винал/шум) вимірювача. Це - другий недолік першого воду. аналога. 4. Вимірювач за п. 1, який відрізняється тим, Другим аналогом є трифазний електронний ліщо підсилювальним пристроєм є диференційний чильник електроенергії, датчики струму якого теж підсилювач, колом паралельного негативного звоє шунтами: ротного зв'язку - ланцюг опору, що включений між [4] Голуб В. С. Канал вимірювання струму і наодним входом і інвертувальним до нього виходом пруги // Патент України № UA 8185 U, Kл. 7 підсилювача, і резистор, один вивід якого підклюG01R21/00, G01R22/00. чений до цього входу підсилювача, другий є вхідНедоліками другого аналога є вказані вище ним виводом підсилювального пристрою, підсилюнедоліки першого. Другий аналог приведений для вач додатково споряджений другим колом того, щоб показати, що вказаними є недоліки вимінегативного зворотного зв'язку, що містить ланцюг рювача струму взагалі, незалежно від того, чи є він опору, включений між другим входом і другим виоднофазним, трьохфазним або якимсь іншим. Але ходом підсилювача, і резистор, один вивід якого до цього треба додати, що трифазні лічильники, як підключений до другого входу підсилювача, а друправило, розраховані на більшу потужність, тобто гий його вивід - до загального виводу. на більший струм, ніж однофазні. Тому перший 5. Вимірювач за п. 4, який відрізняється тим, недолік у другому аналогу буде виявлятися в біщо опір другого кола зворотного зв'язку в льшій мірі, ніж у першому. (1+2/Кдиф) разів менший за опір кола паралельного Можна вважати, що перший та другий аналоги негативного зворотного зв'язку, де Кдиф - коефіцістворюють прототип, що містить шунт, який є датєнт підсилювання підсилювального пристрою. чиком струму, і підсилювальний пристрій (підси6. Вимірювач за п.п. 2, 3, 4 або 5, який відрізлювач або перетворювач), що підключений до няється тим, що послідовно з резистором кожного датчика і керується напругою. Прототип знахокола негативного зворотного зв'язку включено диться в такому стані, коли датчик струму (шунт) конденсатор. споживає від мережі, що контролюється, достат7. Вимірювач за п.п. 2, 3, 4, 5 або 6, який відріньо енергії, щоб розігрівати прилад (вимірювач зняється тим, що ланцюгом опору кожного кола струму, потужності або електроенергії), і в той же негативного зворотного зв'язку є резистор. час вихідний сигнал цього датчика (сигнал напру8. Вимірювач за п.п. 1, 2, 3, 4, 5, 6 або 7, який ги) такий малий, що може потопати в шумах підсивідрізняється тим, що є складовою частиною вимілювача. При цьому ККД датчика дорівнює нулю, рювача потужності. бо підсилювальний пристрій у складі вимірювача 9. Вимірювач за п.п. 1, 2, 3, 4, 5, 6 або 7, який керується напругою і не потребує енергії від датвідрізняється тим, що є складовою частиною лічичика зі струмом, що вимірюється. льника електроенергії. По-перше, відзначимо: Згідно з викладеним, автором поставлено заопераційний підсилювач - це підсилювач, який дачу - спираючись на аналоги, що утворюють уза 5 13320 6 має два входи, інвертуючий та неінвертувальний до зменшення шуму підсилювального пристрою. (відносно виходу), що разом створюють диференЦе по-перше, а по-друге - завдяки низькому опору ційний вхід, і один вихід, синфазний відносно загавхідного кола може бути зменшено опір шунта і, як льного виводу. Загальний вивід, зазвичай, не порезультат, зменшено розсіювання потужності. В казують на схемах, бо його, як виводу мікросхеми, доповнення до сказаного, згідно з п.5, змінено може не бути. Але ж принципово він обов'язково є. співвідношення опорів кіл зворотного зв'язку - осНижче, на фіг.1, а також на фіг.2-5 для диференновного (паралельного) і додаткового, що додатційного підсилювача, він показаний. Відносно ньоково зменшує шум підсилювального пристрою. го відлічується сигнал синфазного виходу, а також Технічне рішення за п. 5 може бути використане синфазне зміщення. Фізично, це - "нульова" шина не тільки тоді, коли джерелом сигналу є шунт, айв живлення і усього пристрою: "мінус" ("плюс") живбільш загальному випадку, за будь-яким джерелення для одного джерела з позитивною (негативлом. Але в даному випадку це рішення є залежним ною) напругою або точка з'єднання двох джерел з від п. 4. позитивною і негативною напругами. З цією шиною Перелік фігур: підсилювач з'єднаний або безпосередньо, або Фіг.1. Показано схему вимірювача струму, що через джерела живлення і конденсатори, що відповідає наведеним вище пп. 1, 2, в якому підвключені паралельно до джерел; силювальний пристрій містить операційний підсидиференційний підсилювач - це підсилювач лювач з колом паралельного негативного зворот(драйвер), що, в порівнянні з операційним підсиного зв'язку, вхід якого підключений до шунта. лювачем, має другий вихід, який є інвертувальним Коефіцієнт передачі підсилювального пристрою до першого виходу і створює з ним диференційний (до синфазного виходу операційного підсилювача) вихід. При цьому один з виходів є інвертувальним Ксин=Uвих/Uвх=-m, (3) до одного з входів, а другий вихід є інвертувальде Uвих - вихідна напруга, ним до другого входу. Кожна пара, що складається UвхIRш (4) з одного входу та інвертуючого до нього виходу, - вхідна напруга пристрою, ідентична до іншої пари, хоча зображення їх на m=Z1/R1, (5) схемах (наприклад, на фіг.2, ... 5, що приведені Rвх=R1 (6) нижче) відрізняються. Згідно з цим, вказані пари - вхідний опір, а вхідний струм виводів на фіг.2, ... 5 можуть бути поміняні місцяIвх=I/(1+R1/Rш), (7) ми. Властивістю диференційного підсилювача є не де I - струм, що вимірюється, а Rш - опір шунтільки те, що він має другий вихід, а й те, що сигта. Коефіцієнт перетворювання, від вимірювальнонал цього виходу (виводу мікросхеми) - тієї ж вего струму до вихідної напруги підсилювального личини, що і сигнал першого виходу (виводу), але пристрою, дорівнює є протифазним до нього. Вихідні сигнали обох виКпер=Uвих/І=-Ζ1/(1+R1/Rш). (8) ходів (виводів) створюють диференційний вихідЗнак "-" в (3), (8) - це результат того, що підсиний сигнал. Крім вказаного вище другого виходу, лювальний пристрій (на фіг.1) є інвертувальним. диференційний підсилювач може бути споряджеНаведені формули є достатньо точними за ний ще одним виводом - для напруги, що забезпеумови, що сам операційний підсилювач (без кола чує синфазне зміщення сигналу. Вказане зміщензворотного зв'язку) має коефіцієнт передачі ня є необхіднім, коли підсилювач використовує Коп>>m. (9) одне джерело живлення або цього потребує інший За вказаної умови (9) вхідний опір може бути пристрій (наприклад, аналого-цифровий перетвоневеликим і, в той же час, достатньо стабільним рювач), що підключений до виходу підсилювача; (незалежним від Коп), щоб забезпечити достатньо паралельний негативний зворотний зв'язок велику точність вимірювання. При зменшеному це коли вхідне коло і коло зворотного зв'язку підкопорі Rвх (R1) меншим може бути й Rш. За резульлючені до підсилювача паралельно (у відміну від татом, - менший шум в підсилювачі і менша потупослідовного зворотного зв'язку, коли обидва кола жність, що розсіюється. підключені послідовно). Практичним критерієм На фіг.1 показано, що неінвертувальний вхід паралельного зв'язку є те, що струм кола зворотбезпосередньо підключений до загального провоного зв'язку протікає через джерело вхідного сигду, але він може бути підключений до джерела налу. Вхідний опір пристрою з паралельним негазміщення. Це джерело є включеним між вказаним тивним зворотним зв'язком - низький (у відміну від входом і загальним проводом. При наявності зміпристрою з послідовним зв'язком, для якого він щення можливо включення конденсатора послідовеликий). вно з R1, як вказано в п. 6. В вимірювачі електричного струму, що пропоФіг.2. Показано схему вимірювача струму з пінується, використовується, разом з датчиком дсилювальним пристроєм, що містить диференструму, яким є шунт, підсилювальний пристрій, ційний підсилювач з одним колом паралельного який може містити, згідно з п.п. 2, 3, 4, операційний негативного зворотного зв'язку, вхід якого підклюабо диференційний підсилювач. Відрізняється чений до шунта. Вимірювач відповідає наведеним вимірювач тим, що підсилювальний пристрій сповище пп. 1, 3. В ньому повторюються властивості ряджений, згідно з п. 1, колом паралельного негавимірювача за фіг.1, та, крім того, завдяки дифетивного зворотного зв'язку. Суттєвим є те, що це ренційному підсилюванні, на його виході - дифеколо негативного зворотного зв'язку є паралельренційний сигнал, в якому придушені синфазні ним, струм якого є частиною струму, що підлягає перешкоди, що є в мережі. вимірюванню. При цьому вхідне коло підсилюваКоефіцієнти передачі підсилювального прильного пристрою має низький опір, що приводить строю 7 13320 8 Kсин1=Uвих1/Uвх=-m, (10) кання цього струму через загальний провід може Ксин2=Uвих2/Uвх=m, (11) викликати підвищення перешкод у складі вихідного Кдиф=Uвих/Uвх=2m, (12) сигналу. де Фіг.5. Показано схему вимірювача струму, що Uвих=Uвих2-Uвих1, (13) відповідає п. 5 та відрізняється від схеми на фіг.4 Uвх, m, Rвх, Iвх, Коп - згідно з (4), ... (7), (9), а котим, що опір другого кола зворотного зв'язку менефіцієнт перетворювання ший за опір першого в (1+2/Кдиф) разів, де Кдиф Кпер=Uвих/I=2Ζ1/(1+R1/Rш). (14) згідно з (15), (16). За результатом, струм другого Диференційний підсилювач може мати вхід кола дорівнює струму першого кола, а різницевий для напруги синфазного зміщення вихідного диструм, відповідно, дорівнює нулю. Тому струму, ференційного сигналу (на фіг.2 не показано). Крім показаному на фіг.4, що протікає через загальний того, вхід підсилювача, що позначений "+", може провід, в даному випадку немає. бути теж підключений, як і в операційному підсиПідкреслимо, що самі підсилювальні пристрої, лювачі, до джерела зміщення. Але в останньому які є складовою частиною вимірювача струму і випадку це буде зміщення у складі диференційнопоказані на фіг.1, 2, 3, є відомими взагалі (крім го сигналу. При наявності зміщення можливо вказаного в п. 5 та показаного на фіг.5), а новим є включення конденсатора послідовно з R1, як вкате, що вони, маючи низький вхідний опір та іншізано в п. 6. позитивні властивості, використовуються в шунтоФіг.3. Показано схему вимірювача струму з півому вимірювачі струму, що пропонується. А для дсилювальним пристроєм, що містить диференпідсилювального пристрою новим є те, що вказано ційний підсилювач з двома колами негативного в п. 5. На фіг.1, 2, 3 підсилювальні пристрої - це зворотного зв'язку, вхід одного з них, основного (з підсилювачі, але підсилювальними можуть бути й R1, Ζ1), підключено до шунта, а другого, додаткоінші пристрої, наприклад, - інтегратори, з конденвого (з R2, Z2), - до загального виводу (або до джесаторами в колі зворотного зв'язку. рела зміщення, як це вказано до фіг.2). Вимірювач Для реалізації корисної моделі, що пропонувід повідає наведеним вище пп. 1, 4, і в ньому ється, можуть бути використані мікросхеми - опебільш ефективно придушуються синфазні перешраційні та диференційні підсилювачі, наприклад: коди. Диференційний підсилювач може мати додадля вимірювача за схемою на фіг.1 - мікростковий вхід для напруги синфазного зміщення вихема операційного підсилювача з малими шумами хідного диференційного сигналу (як вказано вище AD8671 [5]; до фіг.2). для вимірювачів за схемами на фіг.2, 3, а таНа відміну від (14), в даному випадку кож на фіг.4, 5, - мікросхема диференційного підKдиф=Uвих/Uвх=m; (15) силювача AD8137 [6]. Згідно з [6], його частотна m=Z1/R1=Z2/R2; (16) характеристика досягає 1МГц за коефіцієнтом підKпер=Uвих/I=Ζ1/(1+R1/Rш). (17) силювання, що визначається колом зворотного При наявності зміщення можливо включення зв'язку і дорівнює 10. Коефіцієнт може бути більконденсаторів послідовно з R1 та R2, як вказано в ший (наприклад, 100) за скороченим частотним п. 6. діапазоном (до 50Гц). Крім того, диференційний Фіг.4. Показано схему вимірювача струму, що підсилювач може бути зібраний за використанням відповідає фіг.3. На ній, що є прикладом, показані мікросхемної збірки операційних підсилювачів, теж конкретні значення опорів, струмів і напруги. Співз малими шумами, наприклад, AD8674 [5]. Вказані відношення фаз для напруги показані знаками "~", мікросхеми випускаються фірмою Analog Devices прямими і інвертованими (в фазі або в протифазі). згідно з: Обидва кола негативного зворотного зв'язку - з [5] Precision, Very Low Nose, Low Input Bias однаковими опорами. Коефіцієнт передачі виміCurrent Operational Amplifiers: рювача дорівнює 100. AD8671/AD8672/AD8674. Analog Devices, Rev. C, Через кола негативного зворотного зв'язку 2005 (www.analog.com). протікають різні струми - 101 і 99 мкА. Різницевий [6] Low Cost, Low Power 12-Bit Differential ADC струм 2 мкА витікає із загального виводу дифереDriver: AD8137. Analog Devices, Rev. B, 2005 нційного підсилювача й протікає по загальному (www.analog.com). проводу, доповнюючи струм другого кола. Проті 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 13320 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601