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Sense di corrente in wireless con un amplificatore operazionale micropower a deriva zero

Molti circuiti di misure della corrente si basano sullo stesso principio: sviluppare una tensione ai capi di una resistenza di sense. Si amplifica quella tensione, la si legge attraverso un ADC e si conosce il valore della corrente. Ma se la resistenza di sense si trova a un potenziale che si discosta di parecchio da quello di terra, le cose si complicano velocemente. Le soluzioni tipiche, in generale, portano la differenza di potenziale nel dominio analogico o digitale, ma esiste un approccio differente: il wireless.

Introduzione

Gli amplificatori di sense di corrente high-side operano nel dominio analogico. Gli IC sono compatti, ma la differenza di potenziale che possono sopportare è limitata dal processo di realizzazione dei semiconduttori. I dispositivi in grado di gestire tensioni superiori a 100 V sono rari. Inoltre questi circuiti perdono spesso accuratezza se la tensione di modo comune della resistenza di sense varia rapidamente, oppure oscilla al di sopra o al di sotto del valore di massa.

Di solito, per superare la barriera d’isolamento nel dominio digitale, vengono usati isolatori ottici o magnetici. L’hardware può essere massiccio, ma lavora senza perdere accuratezza e in genere è in grado di sopportare migliaia di Volt. Questi circuiti richiedono un alimentatore isolato, ma talvolta possono essere integrati nel componente isolatore. Se la resistenza di sense è fisicamente distante dal sistema principale, si rendono necessari collegamenti o cablaggi piuttosto lunghi.

Le recenti tecnologie wireless e di condizionamento dei segnali low-power ci propongono un approccio originale. Permettendo all’intero circuito di fluttuare con il modo comune della resistenza di sense, trasmettendo i dati via radio con un sistema wireless, vengono risolti i limiti dovuti alla differenza di potenziale. La resistenza di sense può essere collocata ovunque, senza bisogno di collegamenti. Se poi il circuito ha un assorbimento modesto non vi è neppure la necessità di un alimentatore isolato e al suo posto si può utilizzare una piccola batteria per molti anni di funzionamento.

Il sense di corrente wireless

Per amplificare la caduta di tensione ai capi della resistenza di sense, il circuito di Figura 1 si basa sull’op ampchopper-stabilizzato LTC2063. Il micropower SAR ADC AD7988 digitalizza il valore e riporta il risultato attraverso un’interfaccia SPI. L’LTP5901-IPMè un modulo wireless che crea in automatico una rete IP di tipo mesh con i nodi limitrofi. Al suo interno è presente anche un microprocessore che legge la porta SPI dell’ADC AD7988. L’LTC3335 è un regolatore nano power di tipo buck-boost che condiziona la tensione di batteria, fornendo in uscita un valore costante. L’LTC3335 include anche un contatore di Coulomb che riporta il valore cumulativo di carica assorbita dalla batteria (figura 1).

Figura 1: Un circuito di sense di corrente wireless è formato da un op amp chopper a basso consumo che amplifica la tensione rilevata, la digitalizza utilizzando un ADC e un generatore di riferimento lowpower, ed è connesso a un modulo wireless SmartMesh IP™. Un convertitore low-power DC/DC condiziona la batteria e tiene traccia della carica prelevata dalla stessa.

Op amp micropower a deriva-zero

In generale, per ridurre al minimo la dissipazione del calore nelle resistenze di sense, la caduta di tensione viene limitata entro un intervallo tra 10mV e 100mV. La sua misurazione richiede un circuito d’ingresso con un basso errore di offset, con un op amp a deriva-zero. L’LTC2063 è un op amp (amplificatore operazionale) chopper-stabilizzato ultra low power, con una corrente massima assorbita di 2µA. Dato che la tensione di offset è inferiore a 10µV, è in grado di misurare anche la più piccola caduta di tensione senza perdita di accuratezza. La Figura 2 illustra l’LTC2063 configurato per amplificare e regolare il livello ai capi di una resistenza di sense da 10mΩ. Il guadagno viene scelto in modo tale che, con un fondo-scala di +/-10mV alla resistenza di sense (equivalenti a una corrente di +/-1A) corrisponda un’escursione in uscita vicina al fondo-scala, centrata sul valore medio della tensione di alimentazione. Questo segnale amplificato viene inviato a un ADC SAR a 16-bit. La scelta è caduta sull’AD7988, per la bassissima corrente di standby e il buon livello di accuratezza in DC.A bassa frequenza di campionamento, l’ADC si spegne automaticamente tra le conversioni, con il risultato di un assorbimento medio di appena 10 µA a 1 ksps. Il generatore di tensione di riferimento LT6656 consuma meno di 1µA, polarizzando l’amplificatore, le resistenze di shift-level e l’ingresso di riferimento dell’ADC.

Rete wireless mesh di grado industriale

I moduli wireless SmartMesh come l’LTP5901-IPM includono il circuito radio, il microprocessore embedded e il software di rete. Quando più nodi SmartMesh vengono alimentati nelle vicinanze di un network manager, si riconoscono a vicenda in modo automatico e formano una rete mesh. I nodi della rete sono tutti sincronizzati, ciascuna radio viene alimentata soltanto per brevi periodi e a intervalli ben precisi. Ne consegue che ogni nodo può inviare informazioni dal proprio sensore, oppure trasferire i dati provenienti da altri nodi verso il network manager. Questo crea una rete mesh altamente affidabile, a basso consumo, dove per ogni nodo è possibile raggiungere il manager attraverso molteplici percorsi, anche se tutti i nodi, compresi quelli che agiscono da router, lavorano in condizione di consumo ridotto.

L’LTP5901-IPM include un microprocessore ARM Cortex-M3 che fa funzionare il software di rete. Inoltre, gli utenti possono scrivere del firmware applicativo per eseguire funzioni specifiche per le proprie esigenze. In questo esempio, il microprocessore all’interno dell’LTP5901-IPM legge la porta SPI dell’ADC di misura corrente (AD7988) e quella I2C del contatore Coulomb (LTC3335). Il microprocessore può anche porre l’op amp chopper (LTC2063) in modalità di shutdown, riducendo ulteriormente il suo assorbimento da 2µA a 200nA. Questo aumenta ulteriormente il risparmio energetico, usando i dispositivi con intervalli molto lunghi tra una misura e l’altra (figura 2).

Figura 2: Il circuito di sense di corrente rende fluttuante la tensione rilevata dalla resistenza. L’op amp chopper LTC2063 amplifica il segnale e lo centra sul valore medio della tensione di alimentazione dell’ADCAD7988. L’LT6656-3 genera la tensione di riferimentodi precisione a 3V.

Contatore Coulomb nanopower

L’assorbimento tipico, per un nodo che riporta informazioni una volta al secondo, è inferiore a 5µA per il circuito di misura e di 40µA per la parte radio. In pratica,il consumo energetico dipende da vari fattori, come la frequenza delle letture trasferite dalla catena di segnale, e da come i nodi sono configurati nella rete.

Il circuito di esempio è alimentato da due semplici pile alcaline. La tensione di batteria è regolata da un convertitore nanopower buck-boost LTC3335 con contatore Coulomb integrato. Eroga una tensione stabilizzata di 3,3V, ottenuta da un’alimentazione che può variare tra 1,8V e 5,5V. La corrente di carico nelle applicazioni wireless temporizzate può andare da 20mA a 1µA, a seconda che la radio sia in modalità “active” o “sleep”. L’LTC3335 ha una corrente a riposo di appena 680 nA, mantenendo l’intero circuito ad assorbimenti minimi quando la radio e la catena di segnale si trovano in sleep mode. Nonostante questo, l’LTC3335 può fornire fino a 50mA, che garantiscono energia sufficiente durante la ricetrasmissione e per una moltitudine di circuiti nella catena del segnale.

Nei sistemi a sensori wireless ad alta affidabilità, non è accettabile che le batterie si esauriscano. Al contempo, sostituzioni troppo frequenti generano costi non previsti e interruzioni del servizio. Risultato: serve un accurato circuito di misura dei consumi delle batterie. L’LTC3335 è dotato di un contatore Coulomb. Ogni volta che entra in funzione, il regolatore tiene traccia della carica totale prelevata dalle batterie. Questa informazione può essere letta attraverso l’interfaccia I2C e utilizzata per prevedere il periodo della loro sostituzione.


Figura 3: Un circuito completo di sense di corrente wireless, implementato su una piccola scheda. Gli unici collegamenti fisici sono gli spinotti a banana usati per la misura della corrente. Il modulo wireless si vede sulla destra. Il circuito è alimentato da due pile AAA sistemate sul retro della scheda.

Conclusioni

La combinazione delle catene di segnale, dei prodotti per la gestione energetica e delle reti senza filidi Power by Linear eAnalogDevices permette di realizzare un perfetto circuito wireless per il sensedi corrente. La figura 3 mostra un esempio di applicazione. Il nuovo op amp chopper ad assorbimento ultra-ridotto LTC2063 può leggere con precisione ogni piccola caduta di tensione ai capi della resistenza di sense. L’intero circuito, compresi il micropower ADC e il generatore di riferimento, fluttua rispetto al modo comune della resistenza di sense. Il convertitore LTC3335 può alimentare il circuito per anni con una piccola batteria riportando, attraverso il proprio contatore Coulomb, i valori cumulativi di utilizzo della stessa. Il modulo wireless LTP5901-IPM gestisce l’intera applicazione, connettendosi automaticamente a una rete IP SmartMesh altamente affidabile.

 

A cura di DiKris Lokere, Technical Director – Global Broad Market Develpment, Analog Devices, Inc.

 

 

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