Одной из проблем предыдущей реализации вольт-ампер-метра было высокое тепловыделение на шунте. Как уже было сказано ранее, сопротивление шунта можно существенно уменьшить, но для того, чтобы измеряемое напряжения на шунте покрывало весь входной диапазон АЦП, понадобится усилитель на ОУ (иначе точность измерения так же уменьшится).
На схеме выше шунт имеет сопротивление 10мОм, а усилитель на ОУ имеет коэффициент усиления 11 (1 + R5/R6). При токе 10А падение напряжения составит 10мОм * 10А = 100мВ, а усилитель доведет его до 1100мВ (что нам и нужно). При этом выделяемая мощность составит 100мВ * 10А = 1Вт.
На самом деле, все конечно не совсем просто. ОУ (в особенности такой ширпотреб как LM358) не идеальны. Например, резистор R8 нужен для компенсации одной из проблем – смещения 0 (о чем то же я уже писал). Этот эффект присущ и АЦП и ОУ. В данном случае компенсируется исключительно отрицательное смещение путем добавки малой части питающего напряжения к измеряемому. Если совокупное смещение окажется положительным (то есть при измерении 0, будет не нулевой выход АЦП), то придется вычесть смещение программно (железно можно бы было использовать отрицательный источник напряжения, но это накладно).
Не будут учтены ряд других проблем – например, нелинейность ОУ, дрейф характеристик в зависимости от температуры. В идеале нужно использовать специальный инструментальный ОУ, но это уже будет совсем другая история. Мы ограничимся тем, что скомпенсируем подстроечным резистором R8 отрицательное смещение нуля по показаниям прибора (на токе низком токе 10-20 ма). Точное сопротивление шунта/коэффициент усиления (достаточно изменить один любой параметр) надо подбирать на относительно высоком токе (от 1А). Подбор имеет смысл проделать пару раз. За счет подбора параметров, незначительные отклонения сопротивлений R5, R6 будут не важны.
Следует заметить, что несмотря на простоту, есть вполне конкретное требование к ОУ – он должен работать при однополярном питании при входных напряжениях близких к 0 (ряд ОУ требует двуполярного питания в этом случае). Для ширпотребных LM358 и аналогов это выполняется.
Так же следует оговорить случай высоких токов, низких сопротивлений шунта и высоких коэффициентов усиления, соответственно. Например, уменьшим шунт до 1мОм, получим на нем 10мВ при 10А, поставим усилитель на 110 и получим те же 1100мВ на входе АЦП. Все вроде хорошо, но шунт 1мОм еще надо найти, а потом подключить его так, чтобы соединения (пайка) не влияли на показания. При этом все нелинейности, дрейфы, шумы у нас усилятся на 110, и шанс на стабильные показания будет очень небольшой. Более того, даже при усилении 11, как на схеме выше, на безпаечном макете отладить устройство очень-очень сложно (много неидеальных соединений). Что касается высоких токов, то тот же шунт 1мОм при токе 50А обеспечит падение 50мВ, а усилитель на 22 обеспечит нам полный размах в 1100мВ, однако мощность на шунте составит уже 50мВ * 50А = 2,5Вт. При этом помним, что шунт на 1мОм надо поискать и правильно смонтировать. Начиная с какого-то момента может оказаться интересно использование датчиков, основанных на магнитных эффектах – они кроме измерения высоких токов могут предполагать неразрывность цепи и измерение тока в двух направлениях. Но это опять же будет существенно другое устройство.
