數(shù)十年的電流監(jiān)測(cè)是簡(jiǎn)單的縮影

事實(shí)證明，這個(gè)設(shè)計(jì)理念既實(shí)用又簡(jiǎn)單。只需三個(gè)或四個(gè)組件，它就可以在單個(gè)范圍內(nèi)監(jiān)控從微安到遠(yuǎn)超過 100mA 的電流。

我正在開發(fā)一個(gè)基于 PIC 的電路板，需要監(jiān)控它從一對(duì) AA 電池中汲取的電流。盡管大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，但由于升壓轉(zhuǎn)換器的 30μA 靜態(tài)電流占主導(dǎo)地位，該板可以快速循環(huán)檢測(cè)、顯示和傳輸，從 8mA 到 100mA。嘗試在固定量程上使用 DMM 令人沮喪，而自動(dòng)量程由于快速的循環(huán)時(shí)間和短的接通時(shí)間而讓我頭疼。因此，建議采用以下方法。

二極管兩端的電壓隨著流過它的電流的對(duì)數(shù)而增加，如二極管方程所定義：

I F ? I 0 · exp( eV F / kT )

其中 I F 是正向電流

I 0 為反向飽和電流

e 是電子電荷 (1.602 × 10 -19 C)

V F 是正向電壓

T 是溫度 (K)

k 是玻爾茲曼常數(shù) (1.380 × 10 -23 J/K)。

(這是一個(gè)略微精簡(jiǎn)的工程師版本;有關(guān)完整作品和有用的鏈接，請(qǐng)參閱參考資料 1。)出于我們的目的，我們可以從中提取：

V F ∝ log I F 在給定溫度下。

現(xiàn)在，分流一個(gè)帶有儀表運(yùn)動(dòng)的二極管。在非常低的電流下，當(dāng)電流流過它而不是二極管時(shí)，它將顯示微安，而在高電流時(shí)，它將顯示二極管兩端的電壓，從而顯示電流的對(duì)數(shù)(將二極管視為自適應(yīng)分流器)。因此，米刻度的底部是合理的線性，頂部是足夠的對(duì)數(shù)，中間是過渡的，而整體非常有用。

使用肖特基整流器、100μA/1.7kΩ 儀表和合適的串聯(lián)電阻(如圖 1所示)， 可以在單個(gè)范圍內(nèi)監(jiān)控 10μA 至超過 100mA 的電流，指示速度僅受儀表彈道學(xué)的限制。

圖1

任何這么簡(jiǎn)單的東西通常比組件有更多的問題!除了繁瑣的校準(zhǔn)程序(下文詳述)外，該電路還有兩個(gè)主要缺陷：串聯(lián)電壓降和溫度穩(wěn)定性。二極管將下降至 400mV，因此在監(jiān)測(cè)時(shí)請(qǐng)使用新的或充滿電的電池，否則您的 UUT 可能會(huì)發(fā)現(xiàn)電池電量不足?；蛘?，將其視為一種方便的低電量檢測(cè)功能，可能會(huì)添加一個(gè)短路開關(guān)。

在刻度的底部，幾乎所有電流都流過儀表，測(cè)量溫度系數(shù)很低，受限于儀表運(yùn)動(dòng)的機(jī)械和磁性溫度系數(shù)。但是，在更高的電流下，我們看到二極管兩端的電壓當(dāng)然會(huì)降低約 2mV/K，正如二極管方程所預(yù)測(cè)的那樣。這不僅會(huì)影響對(duì)數(shù)定律的斜率，還會(huì)影響我們的線性到對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。此外，儀表繞組構(gòu)成了總串聯(lián)電阻的重要組成部分，銅在室溫下的 TCR 為 +3930ppm/K。產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)與電流曲線如圖2所示 適用于溫度為 0°、25° 和 50oC 的 1N5817。這些說明了機(jī)芯的 TCR 以及二極管的溫度系數(shù)，但忽略了后者的任何自熱效應(yīng)。在相當(dāng)恒定的溫度下沒有實(shí)際問題。

圖 2

主要在 D1 中的自熱也不是真正的問題。假設(shè)有 100mA 電流流動(dòng)，D1 下降 400mV：即 40mW。根據(jù)其數(shù)據(jù)表，DO-41 1N5815 具有 50K/W 的基本熱阻 - 具有較長(zhǎng)的引線和大量的散熱銅。將這些數(shù)字放在一起表明，在 100mA 時(shí)，結(jié)僅上升 2o，相當(dāng)于 V F降低 約 4mV，或滿量程誤差約 1%。盡量保持二極管的引線短且熱質(zhì)量高。注意可能在開啟時(shí)的高瞬態(tài)電流，因?yàn)檫@些會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，直到結(jié)再次冷卻。

圖 3

圖 3中的改進(jìn)版本 通過添加一個(gè)與儀表運(yùn)動(dòng)串聯(lián)的額外二極管來消除溫度系數(shù);其曲線如圖4所示。請(qǐng)注意，現(xiàn)在刻度的大部分是對(duì)數(shù)的，額外的二極管有效地抑制了初始的線性區(qū)域。然而，二極管的選擇現(xiàn)在至關(guān)重要，因?yàn)? D2 的正向電壓應(yīng)該比 D1 略低，但在其他方面具有匹配特性。令人困惑。

圖 4

LTspice 來救援!我偶然發(fā)現(xiàn)了 D1 的 10MQ060N 和 D2 的 BAT54 的組合——這是我模擬的第一對(duì)。兩者都很便宜，可用，并且由 LTspice 本地建模，因此推薦它們。一對(duì) 10MQ060N 的工作方式幾乎相同(但一對(duì) BAT54 則不然)。其他設(shè)備的組合大多顯示更差的溫度變化和更扭結(jié)的跡象，因此在構(gòu)建之前先建模。如果儀表的靈敏度和電阻合適，R1 可以省略。將 D1 和 D2 熱耦合在一起，因此它們將隨著溫度相互跟蹤。

硅PN結(jié)二極管一般有很直的(log I F)/V F 關(guān)系;肖特基沒有。這是由于它們的結(jié)構(gòu)本身具有較高的串聯(lián)電阻，導(dǎo)致該定律在非常低的電流下變得比對(duì)數(shù)更線性，并且通常還具有控制電位梯度的保護(hù)環(huán)，可以形成與肖特基結(jié)并聯(lián)的 PN 二極管本身，從而在高電流下軟化曲線。所以在實(shí)踐中，精確的對(duì)數(shù)定律會(huì)隨著電流和設(shè)備類型的不同而變化。雖然垃圾箱二極管對(duì)于第一個(gè)版本可能很好——考慮到該電路不可避免的不準(zhǔn)確性——但雙二極管設(shè)計(jì)需要仔細(xì)選擇。參考文獻(xiàn) 2 提供了更多背景信息。

因?yàn)槲矣幸缓斜阋说氖Ｓ噙吘?100μA/1700Ω 指示器，適合 35×14mm 孔徑，所以我使用它們。這種類型非常常見，并給出了緊湊、實(shí)用的結(jié)果，但它們的結(jié)構(gòu)、線性和單元之間的一致性會(huì)讓 Monsieur d'Arsonval 的幽靈哭泣。

圖 5 和圖 6

圖 5中使用的校準(zhǔn)點(diǎn) 是通過排列監(jiān)視器、電池、固定和可變電阻器以及 DMM 的串聯(lián)組合生成的?，F(xiàn)有的儀表刻度在合適的點(diǎn)上進(jìn)行標(biāo)記，然后移除并掃描，掃描被用作最終布局的模板。模擬結(jié)果用于生成圖 6的基準(zhǔn)點(diǎn)，但結(jié)果很好地反映了現(xiàn)實(shí)，盡管儀表很糟糕。這些音階可以節(jié)省您的時(shí)間，但不如從頭開始制作自己的音階那么準(zhǔn)確(顯然，其他動(dòng)作需要不同的音階)。調(diào)整 R1 以微調(diào)校準(zhǔn)(儀表指定為 ±20%)。兩種尺度都考慮了運(yùn)動(dòng)的非線性。

請(qǐng)注意，我將其稱為“監(jiān)視器”而不是“儀表”;對(duì)我來說，后一個(gè)術(shù)語意味著更準(zhǔn)確的東西。盡管如此，我現(xiàn)在將這些構(gòu)建到我的大部分開發(fā)甚至生產(chǎn)測(cè)試臺(tái)中，它們對(duì)于發(fā)現(xiàn)各種故障和問題非常有用，從短路的電源線到錯(cuò)誤編碼的上拉引腳。

為了最終簡(jiǎn)化電流監(jiān)控，只需將一個(gè)合適的二極管與電源的負(fù)端串聯(lián)，并確定其正向電壓范圍。經(jīng)過一些便利貼校準(zhǔn)后，您可以監(jiān)控您的電源電流，與您想要探測(cè)的任何其他東西完全同步。