E

Elle

ek

kt

to

or

r w

w E

Ed

dW

W

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

26

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

ELEKTOR w EdW

Układy LM3812/LM3813

pozwalają na precyzyjne po−
miary prądu niemal bez strat.
Każdy jest wyposażony w we−
wnętrzny bocznik o rezystan−
cji 0,004

Ω

(i współczynniku

t e m p e r a t u r o w y m
2600ppm/

o

C), dzięki czemu

nie wymaga dołączenia ze−
wnętrznego rezystora, nie−
zbędnego do zamiany prądu
na napięcie. Bocznik pomiaro−
wy stanowi część metalowej
ramki wyprowadzeń (tzw. ażu−
ru), na której w trakcie monta−
żu układu scalonego jest
umieszczana struktura pół−
przewodnikowa. Po zamknię−
ciu obudowy (zalaniu masą
plastyczną), większa część
ramki jest odcinana. Pozostają
końcówki

wyprowadzeń

i część centralna ażuru, która
w tym przypadku pełni rolę re−
zystora

pomiarowego.

LM3812 jest tzw. układem
high−side, co oznacza, że jego
bocznik pomiarowy jest włą−
czany pomiędzy dodatnim bie−
gunem zasilania i obciąże−
niem. LM3813 to układ low−si−
de – włączany pomiędzy ob−
ciążeniem i ujemnym biegu−
nem. Obydwa układy scalone
zawierają przetworniki analo−
gowo−cyfrowe typu delta−sig−
ma, które uśredniają mierzoną
wartość w czasie 50ms (tryb
precyzyjny), względnie 6ms
(tryb szybki) i w ten sposób
skutecznie tłumią krótkie im−
pulsy (szpilki) prądowe. Prze−
tworniki dostarczają dokładne−
go

sygnału

wyjściowego

o modulowanej szerokości im−
pulsów (PWM), który zawiera
informacje o natężeniu oraz
kierunku prądu i może zostać
łatwo przetworzony przez każ−
dy mikrokontroler. Maksymal−

ny błąd wynosi tylko ±2%
w temperaturze pokojowej.
Układ aplikacyjny na rry

ys

su

un

nk

ku

u 1

1

wyraźnie pokazuje, że poza
dwoma kondensatorami nie
potrzeba żadnych elementów
zewnętrznych. Schemat dla

układu scalonego low−side
jest podobnie prosty.

Ten sposób działania ma

wiele zalet w porównaniu
z tradycyjnymi układami scalo−
nymi do pomiaru prądu, wy−
twarzającymi analogowe sy−
gnały wyjściowe, które przed

Pomiar prądu z użyciem
LM3812/LM3813

Precyzyjne układy pomiaru prądu z wyjściami cyfrowymi

D

Do

os

sttę

ęp

pn

no

oś

ść

ć p

prre

ezze

en

ntto

ow

wa

an

ne

eg

go

o u

uk

kłła

ad

du

u s

sc

ca

allo

on

ne

eg

go

o n

niie

e jje

es

stt g

gw

wa

arra

an

ntto

ow

wa

an

na

a.. O

Op

piis

s jje

es

stt o

op

pa

arrtty

y n

na

a d

da

an

ny

yc

ch

h p

prro

od

du

uc

ce

en

ntta

a,,

k

kttó

órry

yc

ch

h n

niie

e zzw

we

erry

yffiik

ko

ow

wa

an

no

o w

w lla

ab

bo

orra

atto

orriiu

um

m E

Elle

ek

ktto

orra

a p

po

od

d k

ką

ątte

em

m p

prrzzy

yd

da

attn

no

oś

śc

cii p

prra

ak

ktty

yc

czzn

ne

ejj..

Firma National Semiconductor wprowadziła do

sprzedaży dwa precyzyjne układy scalone przezna−
czone do pomiaru prądu – LM3812 i LM3813, które
mogą znaleźć zastosowanie we wskaźnikach stanu
naładowania akumulatorów, systemach diagno−
stycznych układów napędowych, układach pomia−
ru prądu wyjściowego zasilaczy albo jako reseto−
walne „inteligentne bezpieczniki”.

Właściwości

Bardzo mała rezystancja bocznika, 0,004

Ω

Zakres napięcia zasilania 2...5,25V
Błąd wtemperaturze pokojowej ±2% (LM381xPM−1.0)
Mały pobór prądu w trybie wyłączenia (shutdown), typowo 2,5µA
Niepotrzebny zewnętrzny bocznik
Wyjście PWM kompatybilne z mikrokontrolerami, przenoszące informację

o natężeniu i kierunku prądu

Precyzyjna technika delta−sigma
Szeroki zakres temperatur pracy
Do wyboru dwa czasy uśredniania (zależnie od wersji układu)
Do wyboru dwa zakresy prądu (zależnie od wersji układu)
Wewnętrzna filtracja
Wewnętrzny obwód resetu po włączeniu zasilania (Power−On−Reset)

Rys. 1. Podstawowa aplikacja LM3812. Wariant low−side jest
podobnie łatwy do zastosowania. Firmowa karta katalogowa opi−
suje także układy dla większych prądów i napięć.

E

Elle

ek

kt

to

or

r w

w E

Ed

dW

W

27

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

dostarczeniem do mikrokon−
trolera muszą zostać zewnę−
trznie przekształcone na po−
stać cyfrową. Błąd pomiarowy
wynikający z napięcia nie−
zrównoważenia wzmacniacza
wejściowego

tradycyjnego

układu, wpływu zakłóceń i to−
lerancji zewnętrznych rezysto−
rów jest trudny do skorygo−
wania. Poza tym sama zasada
działania

przetwornika

delta−sigma zapewnia wyeli−

minowanie

największego

składnika błędu przy pomia−
rach napięć w zakresie mikro−
woltowym, mianowicie wej−
ściowego napięcia niezrówno−
ważenia czujnika. Obydwa
układy scalone są fabrycznie
ustawiane na jeden z dwóch
zakresów

prądowych,

–1...+1A lub –7...+7A, i na
określony czas pomiaru –
50ms lub 6ms. Układy dyspo−
nują ponadto trybem wyłącze−

nia (shutdown), służącym do
eliminacji błędnych wyników
podczas włączania albo do
zmniejszenia poboru prądu
w stanie spoczynkowym.

W sumie jest osiem róż−

nych wersji układów, każda
umieszczona w

obudowie

SO8 (SMD). W ogólnym ozna−
czeniu LM381xYM−z.0 „x”
oznacza typ high−side (x=2)
lub low−side (x=3), „Y” infor−
muje o długim (Y=P) lub krót−
kim (Y=F) czasie uśredniania,
a „z” oznacza zakres prądowy
(z=1 dla ±1A, z=7 dla ±7A).

Schemat wewnętrz−
ny i funkcje

Prąd jest próbkowany

przez modulator delta−sig−
ma, jak to pokazuje rry

ys

su

un

ne

ek

k

2

2. Impulsy z wyjścia modula−
tora są cyfrowo filtrowane
i porównywane z sygnałem
cyfrowego generatora prze−
biegu piłokształtnego. Efek−
tem tego porównania jest
sygnał PWM.

Modulacja szeroko−
ści impulsów

Współczynnik wypełnie−

nia impulsów sygnału PWM
jest wprost proporcjonalny
do natężenia mierzonego
prądu. Sygnał PWM zależy
także od kierunku prądu.
Współczynnik wypełnienia
mniejszy od 50% oznacza,
że prąd płynie w “ujemnym”
kierunku. Wypełnienie po−
nad 50% informuje o prze−
pływie prądu “dodatniego”.

Symetryczny

sygnał

o współczynniku wypełnie−
nia 50% oznacza, że nie pły−
nie żaden prąd. Współczyn−
nik wypełnienia 95,5% (lub
4,5%) oznacza prąd maksy−
malny (dodatni lub ujemny).
Układ mierzy prądy od
–I

MAX

do +I

MAX

, czyli, w za−

leżności od wersji, z zakresu
±1A lub ±10A. R

Ry

ys

su

un

ne

ek

k 3

3

przedstawia związek między
dowolnym prądem i wyjścio−
wym sygnałem PWM.

Zależność między prądem

i współczynnikiem wypełnie−
nia opisuje formuła:

I

SENSE

= 2,2 • (D – 0,5) •

I

MAX

w której D jest współ−

czynnikiem wypełnienia sy−
gnału PWM a I

MAX

maksy−

malnym prądem (1A

lub

10A). Po przekształceniu
otrzymuje się wzór na
współczynnik wypełnienia:

D = [I

SENSE

/ (2,2 • I

MAX

)]

+ 0,5

Podany dla LM381x−7.0

maksymalny prąd 10A może
płynąć tylko przez 200ns.

Rys. 2. Obwody wewnętrzne
LM381x zbocz

nikiem i prz

e−

twornikiem delta−sigma.

Rys. 3. Związek między dowolnym (w tym przypadku dodatnim) prą−
dem wejściowym i współczynnikiem wypełnienia sygnału wyjścio−
wego.

1.

SENSE+

Górna strona (o wyższym potencjale) wewnętrznego czujnika prądu (w LM3812

łączona z V

DD

, wLM3813 z GND)

2.

SENSE–

Dolna strona wewnętrznego czujnika prądu

3.

FLTR+

Wejście filtru (zapobiegającego aliasingowi modulatora delta−sigma)

4.

FLTR–

Wejście filtru

5.

SD\

Wyprowadzenie wyłączania (shutdown). Przy normalnej pracy łączone z VDD poprzez

rezystor podciągający (pull−up). Gdy jest w stanie niskim, pobiera około 3µA prądu (wpływającego)

6.

PWM

Wyjście PWM (natężenie i kierunek prądu)

7.

GND

Masa

8.

GND/V

DD

Masa wprzypadku LM3812, V

DD

dla LM3813

E

Elle

ek

kt

to

or

r w

w E

Ed

dW

W

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99

28

Ciągła praca jest możliwa
przy 7A.

Offset

Sygnał PWM niesie infor−

mację o 1024 poziomach
prądu w trybie precyzyjnym
i 128 w trybie szybkim. Z te−
go też powodu współczynnik
wypełnienia może się zmie−
niać tylko skokowo, co
1/1024 (1/128). Pomiędzy sy−
gnałem wejściowym i wyj−
ściowym

występuje

opóźnienie 0,5 cyklu kwanty−
zacji. W razie potrzeby błąd
kwantyzacji może zostać
skorygowany – po prostu
przez odjęcie 1/2048 (lub
1/256)

od

zmierzonego

współczynnika wypełnienia.
Bez korekcji, to dodatkowe
opóźnienie o połowę cyklu
odpowiada stałoprądowemu
offsetowi o wartości 1/2 bi−
tu, co w trybie precyzyjnym
oznacza 1,1mA dla układów
o zakresie 1A i 11mA dla we−
rsji 7−amperowych. W trybie
szybkim błąd jest ośmiokrot−
nie większy, czyli wynosi od−
powiednio 8,8mA i 88mA.

Tryb dokładny
a tryb szybki

R

Ry

ys

su

un

ne

ek

k 4

4 pokazuje typowe

zachowanie miernika prądu
±1A w trybie szybkim i precy−
zyjnym przy prądzie o natęże−

niu 500mA (szerokość impul−
sów jest przedstawiona bez−
pośrednio jako prąd). Porów−
nanie wykresów pokazuje, że
różnica między następującymi
jeden po drugim pomiarami
w trybie szybkim jest większa
niż w trybie dokładnym. Te
różnice przedstawiają się jako
zakłócające fluktuacje (jitter)
lub szumy w sygnale wyjścio−
wym

i

ostatecznie

odbijają się na dokładności
pomiaru. Aby błąd zminimali−
zować, trzeba uśre−
dnić więcej pomia−
rów. Dla przykładu,
uśrednianie w try−
bie szybkim da
w tym przypadku
wynik

497,5mA,

a w trybie precyzyj−
nym – 502,3mA. Te
wartości są bardzo
bliskie

wartości

w e j ś c i o w e j
500mA. Im więcej
pomiarów włączy
się do uśredniania,
tym dokładniejszy
będzie wynik.

Źrró

ód

dłło

o::

Karta katalogowa

„LM3812/LM3813
Current

Gauge

with Ultra Low
Sense

Element

and PWM Output”
( w w w . n a t i o −
nal.com).

Rys. 4. Typowe zachowanie wersji szybkiej (a) i dokładnej (b)
LM381x.