Amplificación precisa de una serie de transformadores de detección de corriente

¿Estoy pensando en esto correctamente?

Y

Los SCT son del tipo de salida de corriente y producen 50 mA con una carga de 100 A. La resistencia de carga máxima es de 10 Ω, por lo que la señal de voltaje generada por la caída de voltaje sobre esa resistencia es de ±50 mV.

Aquí hay algunos puntos que pueden influir en la elección: -

• 50 mA a diez ohmios produce 500 mV. Por lo tanto, la ganancia requerida es solo 4 y el problema de compensación de CC al que aludió originalmente podría no ser realmente un problema.

• El TL081 no será un conejito feliz con las entradas a 62,5 mV por encima del riel más negativo; lo más bajo que puede ser la entrada desde ese riel negativo y aún funciona es de 1,5 voltios.

• El circuito InAmp necesitará resistencias de purga de corriente de polarización de entrada a 0 voltios/riel medio para que funcione correctamente. Debe proporcionar una ruta de corriente CC para que las entradas InAmp funcionen correctamente. Dado el circuito que muestra, no hay una ruta de CC. es una regla

Personalmente, optaría por amplificadores operacionales y un generador de riel medio de impedancia de salida decente y baja que se pueda compartir entre todos sus circuitos: -

Utilice un INA4181. Amplificador de detección de corriente cuádruple bidireccional con una entrada de nivel de referencia. 4 de ellos pueden manejar los 16 transformadores.

La salida será compensada por el nivel de referencia. Por lo tanto, no se requerirán otros circuitos integrados y su voltaje de salida se centrará en el nivel de referencia que suministre.

Genere la referencia con un divisor de voltaje a partir de su referencia ADC de 5 V para mantenerla en el centro del riel.

La ganancia más baja disponible es 20. Ha calculado mal la amplitud de su señal por un factor de 10. Con una resistencia de carga de 10 ohmios obtendrá una amplitud de 0,5 V en la entrada del amplificador. Con una ganancia de 20, eso pondría la entrada al ADC fuera de escala.

Entonces puede usar una resistencia de carga de 2 ohmios. Entonces tendrá +/- 100mV en la entrada del amplificador y 2.5 +/- 2V en la salida del amplificador (suponiendo que use 2.5V como referencia). Si quisiera, podría usar una resistencia de carga ajustada exactamente para obtener un swing de 0-5v, pero creo que no es una mala idea dejar un pequeño espacio muerto en la parte superior e inferior.

La entrada al amplificador de detección de corriente es diferencial. Puede sesgarlo a cualquier punto conveniente. Incluso puede conectar a tierra un lado de la resistencia de carga porque son aceptables entradas de hasta 200 mV bajo tierra.

Andy ya ha respondido directamente al grano, es decir, cómo resolver sus requisitos en términos de componentes básicos (amplificadores operacionales y las redes circundantes), es decir, a nivel de PCB: excelente como siempre, y casi no tengo nada que agregar a ese nivel. :-)

Si esta es su liga y le permite ahorrar costos, difícilmente me opondría. Entonces... permítanme mencionar lo siguiente como un contexto más amplio. Para que conste, para las personas que quizás vengan más tarde, que no están en la liga de "diseñar su propia PCB".

En el negocio más amplio del "control de procesos industriales", el área sobre la que está preguntando se denomina aproximadamente "E/S de señales discretas". Hay tarjetas complementarias para PC que realizan ADC multicanal (típicamente mediante un multiplexor antepuesto al ADC), DAC multicanal, entrada/salida binaria paralela en varios niveles eléctricos. Vengo del área de PC industriales, pero en realidad el dispositivo más típico aquí es un PLC. Y hay "módulos de E/S distribuidas" = cajas pequeñas, accesibles a través de algún "bus de campo" digital (Modbus parece ser la opción barata y abierta, si eso se adapta a su aplicación). Y como alternativa a las tarjetas PCI, etc., también hay módulos basados ​​en USB (aunque generalmente no recomendaría USB en un entorno industrial). Tanto para el hardware comercial listo para usar, que "no pregunte sobre :-)

Creo que el punto mismo de su pregunta es "acondicionamiento de señal". Es decir, sus "sensores" no brindan el nivel de señal o el formato correctos, o necesita agregar aislamiento, etc. También existen dispositivos listos para usar para esta función, a veces llamados barreras. Hace décadas, solía haber una gama de productos popular para el acondicionamiento de señales de alta densidad, la gama de productos de la serie 5B de Analog Devices (consulta de Google | enlace de descarga particular ), eliminada gradualmente por AD hace años, sin un reemplazo interno. Hay reemplazos de terceros o similares: la serie OM5 de Omega o la serie SCM5B de Dataforth. Esos módulos de la serie 5B solían tener un pinout estandarizado y venían con una placa base / portadora pasiva de 8 vías, llamada 5B08, creo. Y hay/hubo backplanes similares de trabajo de otros proveedores, me dijeron que no necesariamente compatibles con pines en las interfaces externas (5V y GND intercambiados en el conector del cable plano).

Otra marca que suena familiar en el contexto del acondicionamiento de señales es Opto22 , aparentemente con sus factores de forma de módulo patentados.

Hoy en día, parece que el negocio en general se ha movido hacia acondicionadores de señal delgados individuales montados en riel DIN, donde cada canal analógico ocupa una "rebanada" dedicada de 6 mm con un conjunto dedicado de terminales de cableado. O algunos de ellos están en una caja más ancha... He visto estos de Weidmueller , pero los otros proveedores probablemente estén en el mismo camino.

Más concretamente, le gustaría medir el voltaje RMS (o la corriente) y tal vez prefiera convertirlo primero a CC, de modo que no necesite probar la CA a alta velocidad. Hay/hubo barreras acondicionadoras de señal con esa función. Es decir, he notado el SCM5B33 de Dataforth . Curiosamente, probablemente nunca hubo un 5B33 de Analog Devices :-) ni veo un módulo equivalente de Omega. Dataforth también fabrica una versión independiente montada en riel DIN llamada DSCA33 .

Ahora, si debo abordar el posible subtema, cómo convertir RMS a CC en términos de circuitos detallados, hasta amplificadores operacionales y demás... esa es una pregunta interesante en sí misma :-) Aparentemente, Analog Devices solía hacer o todavía hacer chips dedicados para eso. También tienen una app-nota sobre el tema, numerada como MT-081. Aparentemente, necesita calcular, en su circuito analógico, el cuadrado (segunda potencia) de su señal de entrada instantánea, promediarlo a lo largo del tiempo y sacar una raíz cuadrada del producto filtrado, para obtener la salida RMS deseada. La nota de AD sugiere que puede hacer el cuadrado usando un amplificador multiplicador (multiplicar la entrada por sí misma) y hacer la raíz cuadrada con un amplificador multiplicador vinculado a la retroalimentación negativa de un amplificador operacional ... Mi impresión es que si puede crear un sistema ADC+DSP lo suficientemente rápido para su aplicación, y está dentro de su capacidad programar el código muy básico para esa tarea, es una solución más económica, menos exigente con las tolerancias de fabricación. Si OTOH fuera un ingeniero de diseño digital/MCU de corazón, lo que puede encontrar intrigante es el múltiplex de 16 vías de su señal de entrada, junto con S&H y ADC. Debe hacerlo correctamente para evitar la diafonía entre sus canales de entrada analógica, derivada de la configuración mux después de cada cambio (capacitancia parásita del nodo que conecta la salida mux a la entrada S&H y ADC). Por supuesto, si puede obtener 16 canales ADC dedicados, está bien ... ¿qué tal 16 MCU diminutos dedicados, cada uno con un ADC en chip dedicado, lo suficientemente bueno para 50-60 Hz CA, y optoaislar su salida digital? ¿arroyo? :-) y optoaislar su flujo de salida digital? :-) y optoaislar su flujo de salida digital? :-)

Me inclinaría a usar algo que no use un riel común para el voltaje de punto medio. Esto se debe principalmente a la facilidad de construcción, depuración y mantenimiento.

Con un riel de punto medio común, su falla, o un cortocircuito en cualquiera de los amplificadores, podría detener el funcionamiento de todo el sistema. Tener canales completamente independientes le permite comparar voltajes en torno a uno que funciona y uno que no funciona. Evita la posibilidad de diafonía entre canales.

El secundario del TC está referenciado a tierra. Puede probarlo con un alcance sin alterar la polarización del amplificador, o conectarlo con un cable coaxial conectado a tierra.

Este primer circuito usa acoplamiento de CA para manejar el cambio de voltaje. Es simple, pero introduce un pequeño cambio de fase, que puede o no ser permisible.

He redibujado el amplificador para que parezca la etapa de ganancia no inversora que es. También evita el cruce innecesario, por orden.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El segundo esquema está acoplado a CC.

No me gusta calcular resistencias para etapas de ganancia diferencial con álgebra, ya que es muy probable que cometa un error. Por eso he dibujado el circuito dos veces. La primera versión muestra la etapa de ganancia diferencial en todo su esplendor simétrico. R1 y R2 se conectan a la entrada diferencial, R3 y R4 definen la ganancia de la salida diferencial, con referencia a 2,5 V. Incluso con una entrada de -0,5 V, las entradas opamp permanecerán por encima de GND, por lo que en el rango de modo común del amplificador.

El segundo diagrama muestra cómo eliminamos la referencia de salida de 2,5 V. Usando el Power Of Greyskull Thevenin, los 2.5 V con una impedancia en serie de 390k se pueden reemplazar por un divisor de voltaje de 5 V usando resistencias de valor 2x.

El tercer refinamiento sería reemplazar R102 y R104b con una sola resistencia de 88,6k para minimizar el número de piezas.

Presentarlo en estos tres pasos le permite ver de dónde provienen los valores, por lo que si desea modificar la ganancia cambiando R3 y R4, puede calcular nuevos valores.

Por supuesto, si estos valores no son del todo correctos, aún obtendrá ganancia y cambio de voltaje, pero es posible que la salida no se centre exactamente en 2.5 V.

^{simular este circuito}

Una nota para cualquier otra persona que esté pensando en hacer una pregunta de circuito. El uso de un esquema producido por el editor de esquemas integrado del sitio como este hace que sea mucho más fácil para los respondedores. Podemos copiar y editar el esquema original, conservando los designadores de referencia y el diseño cuando sea posible.

Una opción menos común, pero en mi opinión superior, es usar un amplificador de transimpedancia . Esto presenta una carga virtualmente de 0 ohmios al devanado secundario del transformador, mientras proporciona un voltaje de salida de acuerdo con la corriente.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Para trabajar con un suministro de un solo lado, agregué un circuito de tierra virtual en la sección inferior con OA2. Solo proporciona un voltaje estable de +2.5V como referencia. Debe dividir esto del mismo voltaje de referencia que usa su ADC, para evitar cualquier desviación de compensación.

La sección superior con OA1 es el amplificador de transimpedancia. La ganancia del circuito está determinada por R3. Por ejemplo, si la corriente secundaria del transformador es de 10 mA, una resistencia de 100 ohm hace que el voltaje de SALIDA sea VGND + 100 ohm * 10 mA = 2,5 V + 1 V = 3,5 V.

La parte realmente interesante de usar amplificadores de transimpedancia con transformadores es que el flujo magnético del transformador permanecerá cerca de 0 todo el tiempo. Esto mejora mucho la linealidad y la uniformidad de la ganancia de baja frecuencia.

Una desventaja de la versión simple es que el transformador está acoplado directamente en CC al opamp, lo que requiere un análisis más cuidadoso de la tolerancia al impulso y el comportamiento cuando el circuito está apagado. Además, como se muestra, el amplificador operacional debe ser del tipo de voltaje de compensación bajo. Esta nota de Maxim IC ofrece una versión acoplada a CA que también tolera voltajes de compensación de entrada opamp más grandes.