Präzise Verstärkung einer Reihe von Strommesstransformatoren

Denke ich das richtig durch?

Und

Die SCTs sind vom Stromausgangstyp und erzeugen 50 mA bei einer Last von 100 A. Der maximale Bürdenwiderstand beträgt 10 Ω, daher beträgt das Spannungssignal, das aus dem Spannungsabfall über diesem Widerstand erzeugt wird, ±50 mV.

Hier sind einige Punkte, die die Wahl beeinflussen könnten: -

• 50 mA durch zehn Ohm erzeugen 500 mV. Daher beträgt die erforderliche Verstärkung nur 4, und das DC-Offset-Problem, auf das Sie ursprünglich angespielt haben, ist möglicherweise kein wirkliches Problem.

• Der TL081 wird kein fröhliches Häschen sein, wenn die Eingänge 62,5 mV über der negativsten Schiene liegen - der niedrigste Eingang, den diese negative Schiene erreichen kann und immer noch funktioniert, beträgt 1,5 Volt.

• Die InAmp-Schaltung benötigt Eingangsvorspannungsstrom-Bleed-Widerstände auf 0 Volt/Mid-Rail, damit sie korrekt funktioniert. Sie müssen einen Gleichstrompfad bereitstellen, damit die InAmp-Eingänge korrekt funktionieren. Angesichts der von Ihnen gezeigten Schaltung gibt es keinen Gleichstrompfad. Es ist eine Regel .

Persönlich würde ich mich für Operationsverstärker und einen anständigen Mid-Rail-Generator mit niedriger Ausgangsimpedanz entscheiden, der von allen Ihren Schaltungen gemeinsam genutzt werden kann: -

Verwenden Sie einen INA4181. Quad bidirektionaler Strommessverstärker mit einem Referenzpegeleingang. 4 davon können alle 16 Transformatoren bedienen.

Der Ausgang wird um den Referenzpegel versetzt. Es werden also keine weiteren ICs benötigt und Ihre Ausgangsspannung wird auf den von Ihnen gelieferten Referenzpegel zentriert.

Erzeugen Sie die Referenz mit einem Spannungsteiler aus Ihrer 5-V-ADC-Referenz, um sie in der Mitte zu halten.

Die niedrigste verfügbare Verstärkung ist 20. Sie haben die Amplitude Ihres Signals um den Faktor 10 falsch berechnet. Mit einem Bürdenwiderstand von 10 Ohm erhalten Sie eine Amplitude von 0,5 V am Verstärkereingang. Bei einer Verstärkung von 20 würde dies den Eingang zum ADC außerhalb der Skala bringen.

Sie können also einen 2-Ohm-Bürdenwiderstand verwenden. Dann haben Sie +/- 100 mV am Verstärkereingang und 2,5 +/- 2 V am Verstärkerausgang (vorausgesetzt, Sie verwenden 2,5 V als Referenz). Wenn Sie möchten, können Sie einen Lastwiderstand verwenden, der genau auf einen Hub von 0 bis 5 V abgestimmt ist, aber ich denke, es ist keine schlechte Idee, oben und unten etwas Totraum zu lassen.

Der Eingang zum Stromerfassungsverstärker ist differentiell. Sie können es an jedem geeigneten Punkt vorspannen. Sie können sogar eine Seite des Bürdenwiderstands erden, da Eingänge bis zu 200 mV unter Erde akzeptabel sind.

Andy hat bereits direkt auf den Punkt geantwortet, dh wie Sie Ihre Anforderungen in Bezug auf grundlegende Komponenten (Operationsverstärker und die umgebenden Netzwerke) lösen können, dh auf PCB-Ebene - wie immer ausgezeichnet, und auf dieser Ebene habe ich kaum etwas hinzuzufügen :-)

Wenn dies Ihre Liga ist und Sie Kosten sparen können, würde ich kaum Einwände erheben. Also ... lassen Sie mich das Folgende als einen breiteren Kontext erwähnen. Nur fürs Protokoll, für Leute, die vielleicht später kommen, die nicht in der Liga von "design your own PCB" spielen.

Im breiteren Geschäft der "industriellen Prozesssteuerung" wird der Bereich, nach dem Sie fragen, ungefähr als "diskrete Signal-E / A" bezeichnet. Es gibt Zusatzkarten für PCs mit Mehrkanal-ADC (normalerweise durch einen dem ADC vorangestellten Multiplexer), Mehrkanal-DAC, paralleler binärer Ein- / Ausgabe auf verschiedenen elektrischen Ebenen. Ich komme aus dem Bereich der Industrie-PCs, aber eigentlich ist das typischere Gerät hier eine SPS. Und es gibt "verteilte E/A-Module" = kleine Boxen, die über einen digitalen "Feldbus" zugänglich sind (Modbus scheint die billige und offene Option zu sein, wenn dies für Ihre Anwendung geeignet ist). Und alternativ zu den PCI etc. Karten gibt es auch USB basierte Module (obwohl ich im industriellen Umfeld generell von USB abraten würde). So viel zu fertiger Hardware von der Stange, dass "nicht gefragt :-)

Ich glaube, der eigentliche Punkt Ihrer Frage ist "Signalkonditionierung". Das heißt, Ihre "Sensoren" geben nicht den richtigen Signalpegel oder das richtige Format, oder Sie müssen eine Isolierung hinzufügen usw. Es gibt auch handelsübliche Geräte für diese Rolle, die manchmal als Barrieren bezeichnet werden. Vor Jahrzehnten gab es eine beliebte Produktreihe für Signalkonditionierung mit hoher Dichte, die Produktreihe der 5B-Serie von Analog Devices ( Google-Anfrage | spezieller Download-Link ) - vor Jahren von AD auslaufen gelassen, ohne einen internen Ersatz. Es gibt Ersatz oder Work-Alikes von Drittanbietern: die OM5-Serie von Omega oder die SCM5B-Serie von Dataforth. Diese Module der 5B-Serie hatten früher eine standardisierte Pinbelegung und wurden mit einer 8-poligen passiven Backplane / Trägerplatine geliefert, die meiner Meinung nach 5B08 genannt wird. Und es gibt / gab Work-Alike-Backplanes von anderen Anbietern, die an den äußeren Schnittstellen (5V und GND im Flachbandkabelstecker vertauscht) nicht unbedingt Pin-kompatibel sind, wurde mir gesagt.

Eine andere Marke, die im Zusammenhang mit der Signalkonditionierung eine Glocke läutet, ist Opto22 , anscheinend mit ihren proprietären Modulformfaktoren.

Heutzutage scheint sich das Geschäft insgesamt zu individuellen, schlanken, auf DIN-Schienen montierten Signalkonditionierern bewegt zu haben, bei denen jeder analoge Kanal eine dedizierte 6-mm-„Scheibe“ mit einem dedizierten Satz von Verdrahtungsanschlüssen belegt. Oder einige von ihnen sind in einer breiteren Box ... Ich habe diese von Weidmüller gesehen , aber die anderen Anbieter sind wahrscheinlich auf dem gleichen Weg.

Genauer gesagt möchten Sie die RMS-Spannung (oder den Strom) messen und sie vielleicht lieber zuerst in Gleichstrom umwandeln, damit Sie den Wechselstrom nicht mit hoher Geschwindigkeit abtasten müssen? Es gibt/waren Signalkonditionierungsbarrieren mit dieser Funktion. Mir ist nämlich der SCM5B33 von Dataforth aufgefallen . Interessanterweise gab es wahrscheinlich nie ein 5B33 von Analog Devices :-) und ich sehe auch kein gleichwertiges Modul von Omega. Dataforth stellt auch eine eigenständige, auf einer DIN-Schiene montierte Version namens DSCA33 her .

Wenn ich jetzt auf das mögliche Unterthema eingehen sollte, wie man RMS in Gleichstrom umwandelt, in Bezug auf detaillierte Schaltungen, bis hin zu Operationsverstärkern und so ... das ist eine interessante Frage für sich :-) Anscheinend wurden früher Analoggeräte hergestellt oder stellen Sie immer noch dedizierte Chips dafür her. Sie haben auch eine App-Note zu diesem Thema mit der Nummer MT-081. Anscheinend müssen Sie in Ihrer analogen Schaltung das Quadrat (2. Potenz) Ihres momentanen Eingangssignals berechnen, diesen über die Zeit mitteln und eine Quadratwurzel aus dem gefilterten Produkt ziehen, um den gewünschten RMS-Ausgang zu erhalten. Die AD-Anmerkung schlägt vor, dass Sie das Quadrat mit einem multiplizierenden Verstärker (multiplizieren Sie den Eingang mit sich selbst) und die Quadratwurzel mit einem multiplizierenden Verstärker berechnen können, der in die negative Rückkopplung eines Operationsverstärkers eingebunden ist ... Mein Eindruck ist, dass wenn Sie können schnell genug ein ADC + DSP-System für Ihre Anwendung entwickeln, und es liegt in Ihrer Fähigkeit, den sehr einfachen Code für diese Aufgabe zu programmieren. Es ist eine billigere Lösung, die weniger Anforderungen an Fertigungstoleranzen stellt. Wenn Sie OTOH im Herzen ein Digital-/MCU-Designingenieur waren, werden Sie vielleicht den 16-Wege-Multiplex Ihres Eingangssignals, gekoppelt mit S&H und ADC, faszinierend finden. Sie müssen es richtig machen, um ein Übersprechen zwischen Ihren analogen Eingangskanälen zu vermeiden, das auf das Einschwingen des Mux nach jeder Umschaltung zurückzuführen ist (parasitäre Kapazität des Knotens, der den Mux-Ausgang mit dem S&H- und dem ADC-Eingang verbindet). Natürlich, wenn Sie 16 dedizierte ADC-Kanäle bekommen können, ist alles in Ordnung ... wie wäre es mit 16 dedizierten winzigen MCUs, jede mit einem dedizierten On-Chip-ADC, gut genug für 50-60 Hz AC, und opto-isolieren Sie ihren digitalen Ausgang Strom? :-) und ihren digitalen Ausgangsstrom optoisolieren? :-) und ihren digitalen Ausgangsstrom optoisolieren? :-)

Ich würde eher etwas verwenden, das keine gemeinsame Schiene für die Mittelpunktspannung verwendet. Dies dient hauptsächlich der Vereinfachung des Erstellens, Debuggens und der Wartung.

Bei einer gemeinsamen Mittelpunktschiene könnte ihr Ausfall oder ein Kurzschluss in einem der Verstärker dazu führen, dass das gesamte System nicht mehr funktioniert. Wenn Sie völlig unabhängige Kanäle haben, können Sie Spannungen um einen funktionierenden und einen nicht funktionierenden herum vergleichen. Es vermeidet die Möglichkeit des Übersprechens zwischen den Kanälen.

Die Sekundärseite des Stromwandlers ist massebezogen. Sie können es mit einem Oszilloskop prüfen, ohne die Vorspannung des Verstärkers zu stören, oder es mit geerdetem Koaxialkabel verbinden.

Diese erste Schaltung verwendet eine AC-Kopplung, um die Spannungsverschiebung zu handhaben. Es ist einfach, führt aber eine kleine Phasenverschiebung ein, die zulässig sein kann oder nicht.

Ich habe den Verstärker neu gezeichnet, so dass er wie die nicht invertierende Verstärkungsstufe aussieht , die er ist. Es vermeidet auch das unnötige Überkreuzen, für Ordnung.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Der zweite Schaltplan ist DC-gekoppelt.

Ich mag es nicht, Widerstände für differenzielle Verstärkungsstufen mit Algebra auszuarbeiten, da ich zu wahrscheinlich einen Fehler mache. Deshalb habe ich die Schaltung zweimal gezeichnet. Die erste Version zeigt die differenzielle Verstärkungsstufe in ihrer ganzen symmetrischen Pracht. R1 und R2 sind mit dem Differenzeingang verbunden, R3 und R4 definieren die Verstärkung des Differenzausgangs, bezogen auf 2,5 V. Selbst bei einem Eingang von -0,5 V bleiben die Opamp-Eingänge über GND, also im Gleichtaktbereich des Verstärkers.

Das zweite Diagramm zeigt, wie wir die 2,5-V-Ausgangsreferenz entfernen. Mit dem Power Of Greyskull Thevenin können die 2,5 V mit einer Serienimpedanz von 390 k durch einen Spannungsteiler von 5 V mit 2-fachen Widerständen ersetzt werden.

Die dritte Verfeinerung wäre, R102 und R104b durch einen einzigen 88,6k-Widerstand zu ersetzen, um die Anzahl der Teile zu minimieren.

Wenn Sie es in diesen drei Schritten darstellen, können Sie sehen, woher die Werte kommen. Wenn Sie also die Verstärkung ändern möchten, indem Sie R3 und R4 ändern, können Sie neue Werte erarbeiten.

Wenn diese Werte nicht ganz richtig sind, erhalten Sie natürlich immer noch Verstärkung und Spannungsverschiebung, aber der Ausgang ist möglicherweise nicht um genau 2,5 V zentriert.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Eine Anmerkung für alle anderen, die darüber nachdenken, eine Schaltungsfrage zu stellen. Die Verwendung eines Schaltplans, der vom integrierten Schaltplan-Editor der Site erstellt wurde, wie dieser, macht es für Responder viel einfacher. Wir können den ursprünglichen Schaltplan kopieren und bearbeiten, wobei Referenzbezeichner und Layout nach Möglichkeit erhalten bleiben.

Eine weniger verbreitete, aber meiner Meinung nach überlegene Option ist die Verwendung eines Transimpedanzverstärkers . Dadurch wird die Sekundärwicklung des Transformators praktisch mit 0 Ohm belastet, während eine dem Strom entsprechende Ausgangsspannung bereitgestellt wird.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Um mit einer einseitigen Versorgung zu arbeiten, habe ich im unteren Bereich mit OA2 eine virtuelle Masseschaltung hinzugefügt. Es liefert lediglich eine stabile Spannung von +2,5 V als Referenz. Sie sollten diese von der gleichen Referenzspannung teilen, die Ihr ADC verwendet, um Offset-Driften zu vermeiden.

Der obere Teil mit OA1 ist der Transimpedanzverstärker. Die Verstärkung der Schaltung wird durch R3 bestimmt. Wenn beispielsweise der Sekundärstrom des Transformators 10 mA beträgt, bewirkt ein 100-Ohm-Widerstand, dass die OUT -Spannung VGND + 100 Ohm * 10 mA = 2,5 V + 1 V = 3,5 V beträgt .

Das wirklich Coole an der Verwendung von Transimpedanzverstärkern mit Transformatoren ist, dass der magnetische Fluss des Transformators die ganze Zeit über nahe 0 bleibt. Dies verbessert die Linearität und die Ebenheit der Niederfrequenzverstärkung erheblich.

Ein Nachteil der einfachen Version ist, dass der Transformator direkt mit dem Operationsverstärker gleichstromgekoppelt ist, was eine sorgfältigere Analyse der Impulstoleranz und des Verhaltens beim Ausschalten der Schaltung erfordert. Außerdem sollte der Operationsverstärker, wie gezeigt, vom Typ mit niedriger Offsetspannung sein. Diese Maxim-IC-Appnote bietet eine AC-gekoppelte Version, die auch größere Opamp-Eingangsoffsetspannungen toleriert.