Monitorare la corrente

Monitorare la corrente con un amplificatore operazionale, un BJT e tre resistori

Questo articolo spiega la funzionalità di un circuito intelligente che misura accuratamente la corrente di alimentazione.

Prima di tutto, devo ammettere che il titolo è leggermente fuorviante. Il circuito presentato in questo articolo richiede infatti solo un op-amp, un transistor e tre resistori. Non è, tuttavia, un monitor di corrente autonomo, forse “misuratore di corrente” sarebbe più preciso di “monitor corrente”, ma nemmeno questa definizione è esatta. Posso supporre che in ultimo il circuito sia poco più di un “convertitore corrente-tensione”, ma tieni presente che converte la corrente in tensione in un modo compatibile con le applicazioni di monitoraggio della corrente di alimentazione. Quindi forse dovremmo chiamarlo un “convertitore da corrente a tensione per applicazioni di monitoraggio della corrente erogata”

Perché?

Ci sono varie situazioni in cui si vuole misurare la corrente consumata dal proprio progetto.

Fra le tante mi viene in mente di regolare dinamicamente la funzionalità di un sottosistema in base al consumo corrente di un altro sottosistema, stimare la durata della batteria, o di stabilire il più piccolo IC regolatore possibile in grado di fornire corrente di uscita adeguata. È anche possibile utilizzare le misurazioni del consumo di corrente registrate come un modo minimamente invasivo di tracciare le transizioni di un microcontrollore tra stati di potenza superiore e inferiore.

Come?

Come discusso nei paragrafi iniziali, questo circuito converte la corrente in tensione. Se hai necessità di un circuito che è più autonomo nella sua capacità di registrare e / o rispondere al comportamento di consumo corrente, probabilmente vorrai digitalizzare le misure usando un microcontrollore. Se sono richieste solo funzionalità di base e non è necessario alcun altro processore, è possibile utilizzare un comparatore o un rilevatore a finestre analogico.

Il circuito

Il circuito presentato in questo articolo si basa su un circuito trovato in una nota applicativa intitolata “Op Amp Circuit Collection”, pubblicata (nel 2002) da National Semiconductor. La mia versione assomiglia a questa:

Ed ecco la mia implementazione LTspice:

Questo può sembrare un pò confuso a prima vista, ma il sistema è davvero piuttosto semplice:

  • La corrente scorre dall’alimentazione, attraverso R1, al carico. R1 funziona come un tipico resistore sensore di corrente, come tale ha una resistenza molto bassa in modo da ridurre la dissipazione di potenza e minimizzare il suo effetto sulle misurazioni e sul circuito di carico.
  • La tensione applicata al terminale di ingresso non invertente dell’amplificatore operazionale è uguale alla tensione di alimentazione meno (corrente di alimentazione × R1).
  • Non lasciare che il transistor PNP ti distragga dal fatto che l’amplificatore operazionale ha effettivamente un feedback negativo.
  • Poiché il terminale superiore di entrambi i resistori R1 e R2 è legata alla tensione di alimentazione, per portare l’operazionale in equilibrio deve esserci una tensione uguale su entrambi questi resistori, di conseguenza la corrente attraverso R2 è uguale alla corrente attraverso R1 divisa dal rapporto tra R2 e R1. Nel circuito mostrato sopra, R2 è 1000 volte più grande di R1, il che significa che la corrente attraverso R2 sarà 1000 volte più piccola della corrente attraverso R1.
  • La corrente di base del BJT è molto piccola, quindi possiamo dire che la corrente attraverso R3 è più o meno uguale alla corrente attraverso R2. Quindi, usiamo R3 per creare una tensione che è direttamente proporzionale alla corrente che scorre in R2, che a sua volta è direttamente proporzionale alla corrente che attraversa R1.

Ecco lo schema che dovrebbe aiutare a chiarire e rafforzare questa spiegazione:

L’equazione finale per VOUT è

Che cosa esattamente sta facendo il PNP?

Puoi pensare al transistor in due modi: come una valvola regolabile che consente all’amplificatore operazionale di aumentare o diminuire la corrente che fluisce attraverso R2 e R3, o come un dispositivo a caduta di tensione variabile che l’amplificatore operazionale può utilizzare per stabilire il tensione corretta sul nodo VOUT. In entrambi i casi il risultato finale è lo stesso: il transistor è il mezzo con il quale l’amplificatore operazionale può forzare la tensione sul terminale di ingresso invertente per eguagliare la tensione sul terminale di ingresso non invertente.

Il transistor è davvero la parte più interessante di questo circuito. Usiamo spesso BJT in applicazioni “on/off” ed è importante riconoscere che la situazione in questo circuito è completamente diversa. L’amplificatore operazionale (con l’aiuto di feedback negativi, ovviamente) sta effettivamente apportando piccole e precise regolazioni alla tensione emettitore-base del PNP (VEB). Il grafico seguente mostra VEB per un intervallo di correnti di carico (corrispondenti a resistenze di carico da 50 Ω a 300 Ω).

Da notare come tutte queste tensioni siano vicine alla tipica soglia di accensione (~ 0,6 V) per una giunzione pn al silicio. Ciò dimostra che l’op-amp sta operando molto attentamente nella regione di soglia del BJT per produrre i cambiamenti richiesti per produrre una grande caduta di tensione tra emettitore e collettore. L’intero intervallo di valori di VEB è circa 50 mV

Confronta questa variazione circa 50 mV con la variazione di circa 4 V nella tensione emettitore-collettore:

Conclusione

Se si fa uso di resistori a bassa tolleranza e un buon amplificatore operazionale, questo circuito può essere considerato abbastanza preciso. Ho trattato un circuito interessante ed efficace che converte accuratamente la corrente di alimentazione in una tensione che può essere misurata, digitalizzata o utilizzata come input per un comparatore.

Saluti Amilcare

VOTO
9 commenti
  1. schottky dice:

    L’articolo è molto interessante e la discussione che ne è nata ancora di più, Certo che questi circuiti, nel momento presente, sono limitati a risolvere un problema momentaneo sensa avere la possibilità di un buon fornitore perchè ormai tutte le case di semiconduttori producono CI appositi, alcuni dei quali seguono la stessa topologia che consentono rivelazioni precise, con circuiti semplici ed economici e sopratutto che necessitano di cadute di tensione infinitesime. Non ho ancora capito come si inseriscono le figure nei commenti (sono scemo), ma una buona parte degli schemi a cui mi riferisco si possono trovare qui http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an105fa.pdf per quello che riguarda gli IC della Linear, spulciando i datasheet delle altre case T/Infineon etc si trovano le altre soluzioni

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    • schottky dice:

      E’ appena il caso di dire che con questi IC si risolvono tutti i problemi legati alle tensioni di alimentazione dell’integrato e del circuito al fatto che si voglia misurare high side o low side etc.

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      • theremino dice:

        Molto interessante la AN105 che hai linkato, non la conoscevo.
        Perché non fai un articoletto con un elenco di link che puntano alle Application Notes più interessanti che conosci?
        Eventualmente potremmo aggiornare la lista anche in seguito, con la collaborazione di tutti.

        Comunque, anche se esistono integrati appositi, è sempre bene sapersi arrangiare con gli operazionali di base. Potresti ad esempio avere una sezione libera di un quadruplo LM324 e utilizzarla per misurare la corrente. Oppure potresti voler finire in giornata, senza attendere la spedizione di un integrato speciale, che tra l’altro, a ordinarne uno solo da Mouser o Farnell, ti costerebbe una esagerazione di spese postali.

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      • theremino dice:

        Dato che hai l’occhio d’aquila per questi integrati, mi aiuteresti a trovare il più adatto al nostro sistema?
        Finora il migliore che ho trovato è lo LT1999 che è alimentabile a 5 volt, ha un modo comune da -5 a +80 volt ed esiste in tre versioni, 10v/v, 20v/v e 50v/v
        Peccato però che c’è solo in MSOP e SOIC e costi dai 3 agli 8 euro (a comprarne pochi) per cui per molti hobbisti è un po’ scomodo.
        Ne conosci che costino meno e ci siano anche in DIL8?

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      • theremino dice:

        Ho trovato il MAX4173 che è anche meglio dello LT1999
        – Meno componenti esterni
        – Comodo case SOT23, piccolo ma abbastanza facile da saldare
        – Alimentazione da 3 a 28 volt
        – Modo comune da 0 a 28 volt (indipendente dalla alimentazione)
        – Guadagno 10x, 50x o anche 100x (possibile usare un pezzo di pista come resistore)
        – Basso costo 1 euro (circa) al posto di 2 dello LT1999

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  2. theremino dice:

    Ecco un’altra piccola variazione che potrebbe essere utile in alcuni casi.
    Con due resistori in più si riesce a misurare la corrente anche se la tensione del ramo alto (High Side) è maggiore della tensione di alimentazione dell’operazionale.

    Hi-Side Hi-Voltage Current Monitor

    Con questa variante si possono utilizzare anche operazionali non Rail-To-Rail, ma solo se hanno l’uscita che scende fino a zero volt o quasi. Ad esempio i comuni LM324 vanno bene.

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  3. Amilcare
    Amilcare dice:

    Per essere sintetico forse ho esagerato!!
    Prova col simulatore o anche in un test reale ad alimentare lo operazionale con una alimentazione flottante, agganciata al positivo ma flottante rispetto alla massa.
    Magari anche con uno zener con in serie la resistenza di limitazione verso massa.
    Vedrai che qualunque sia il valore della alimentazione generale il circuito funziona.
    Il transistor serve appunto a traslare i livelli di tensione e a dare riferimenti di tensione verso massa anche se il test è fatto sul positivo di alimentazione.
    Andrà solo previsto per R3 un partitore che faccia vedere al circuito a valle di essa una tensione massima compatibile con i circuiti a valle

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    • theremino dice:

      Tutti gli operazionali non Rail to Rail, ad esempio lo LM324 e simili, hanno una massima tensione di modo comune sugli ingressi non superiore alla loro tensione di alimentazione meno 1.5 volt circa. Ma in questo circuito la tensione sull’ingresso + (e quindi anche sul -) sono uguali alla tensione di alimentazione. In queste condizioni i primi transistor, che sono all’ingresso degli operazionali non Rail to Rail, si depolarizzano e non funzionano più.

      Nel circuito originale di National questo problema non si evidenziava perché in quegli anni era usuale alimentare gli operazionali con tensioni alte, spesso anche duali, ad esempio +/- 15 volt, anche se i segnali da trattare erano piccoli, ad esempio pochi volt.

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  4. theremino dice:

    Proprio in questi giorni mi hanno chiesto come misurare la corrente di un servo motore, per cui questo articolo è arrivato al momento giusto.

    Pensandoci un po’ ho trovato una variante che potrebbe essere utile per semplificare il montaggio.

    Hi-Side Current Monitor

    Il funzionamento è simile al circuito originale, ma si sostituisce il transistor con un resistore, che è più facile sia da trovare che da saldare.

    L’operazionale non deve necessariamente essere un LMC6482, ma deve essere un Rail-To-Rail (notare che doveva esserlo anche nel circuito originale, altrimenti la tensione sugli ingressi dell’operazionale supererebbe la massima tensione di modo comune consentita).

    Sia il circuito di Amilcare che questo, non possono funzionare se la tensione di alimentazione di potenza è maggiore di quella dell’operazionale. Ma variando i valori dei resistori forse si potrebbe riuscire. Se ci riesco pubblicherò lo schema in un prossimo messaggio.

    Approvazioni

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