如何设计简单的电流监测电路

二极管两端的电压随着流过它的电流的对数而增加，如二极管方程所定义：

I F ≅ I 0 · exp( eV F / kT )

其中 I F 是正向电流

I 0 为反向饱和电流

e 是电子电荷 (1.602 × 10 -19 C)

V F 是正向电压

T 是温度 (K)

k 是玻尔兹曼常数 (1.380 × 10 -23 J/K)。

(这是一个略微精简的工程师版本;有关完整作品和有用的链接，请参阅参考资料 1。)出于我们的目的，我们可以从中提取：

V F ∝ log I F 在给定温度下。

现在，分流一个带有仪表运动的二极管。在非常低的电流下，当电流流过它而不是二极管时，它将显示微安，而在高电流时，它将显示二极管两端的电压，从而显示电流的对数(将二极管视为自适应分流器)。因此，米刻度的底部是合理的线性，顶部是足够的对数，中间是过渡的，而整体非常有用。

使用肖特基整流器、100µA/1.7kΩ 仪表和合适的串联电阻， 可以在单个范围内监控 10µA 至超过 100mA 的电流，指示速度仅受仪表弹道学的限制。

图1

任何这么简单的东西通常比组件有更多的问题!除了繁琐的校准程序(下文详述)外，该电路还有两个主要缺陷：串联电压降和温度稳定性。二极管将下降至 400mV，因此在监测时请使用新的或充满电的电池，否则您的 UUT 可能会发现电池电量不足。或者，将其视为一种方便的低电量检测功能，可能会添加一个短路开关。

在刻度的底部，几乎所有电流都流过仪表，测量温度系数很低，受限于仪表运动的机械和磁性温度系数。但是，在更高的电流下，我们看到二极管两端的电压当然会降低约 2mV/K，正如二极管方程所预测的那样。这不仅会影响对数定律的斜率，还会影响我们的线性到对数转换点。此外，仪表绕组构成了总串联电阻的重要组成部分，铜在室温下的 TCR 为 +3930ppm/K。产生的偏转与电流曲线如图2所示 适用于温度为 0°、25° 和 50ºC 的 1N5817。这些说明了机芯的 TCR 以及二极管的温度系数，但忽略了后者的任何自热效应。在相当恒定的温度下没有实际问题。

图 2

主要在 D1 中的自热也不是真正的问题。假设有 100mA 电流流动，D1 下降 400mV：即 40mW。根据其数据表，DO-41 1N5815 具有 50K/W 的基本热阻 - 具有较长的引线和大量的散热铜。将这些数字放在一起表明，在 100mA 时，结仅上升 2º，相当于 V F降低 约 4mV，或满量程误差约 1%。尽量保持二极管的引线短且热质量高。注意可能在开启时的高瞬态电流，因为这些会导致错误，直到结再次冷却。

图 3

图 3中的改进版本 通过添加一个与仪表运动串联的额外二极管来消除温度系数;其曲线如图4所示。请注意，现在刻度的大部分是对数的，额外的二极管有效地抑制了初始的线性区域。然而，二极管的选择现在至关重要，因为 D2 的正向电压应该比 D1 略低，但在其他方面具有匹配特性。令人困惑。

图 4

LTspice 来救援!我偶然发现了 D1 的 10MQ060N 和 D2 的 BAT54 的组合——这是我模拟的第一对。两者都很便宜，可用，并且由 LTspice 本地建模，因此推荐它们。一对 10MQ060N 的工作方式几乎相同(但一对 BAT54 则不然)。其他设备的组合大多显示更差的温度变化和更扭结的迹象，因此在构建之前先建模。如果仪表的灵敏度和电阻合适，R1 可以省略。将 D1 和 D2 热耦合在一起，因此它们将随着温度相互跟踪。

硅PN结二极管一般有很直的(log I F)/V F 关系;肖特基没有。这是由于它们的结构本身具有较高的串联电阻，导致该定律在非常低的电流下变得比对数更线性，并且通常还具有控制电位梯度的保护环，可以形成与肖特基结并联的 PN 二极管本身，从而在高电流下软化曲线。所以在实践中，精确的对数定律会随着电流和设备类型的不同而变化。虽然垃圾箱二极管对于第一个版本可能很好——考虑到该电路不可避免的不准确性——但双二极管设计需要仔细选择。参考文献 2 提供了更多背景信息。

因为我有一盒便宜的剩余边缘 100µA/1700Ω 指示器，适合 35×14mm 孔径，所以我使用它们。这种类型非常常见，并给出了紧凑、实用的结果，但它们的结构、线性和单元之间的一致性会让 Monsieur d'Arsonval 的幽灵哭泣。

图 5 和图 6

图 5中使用的校准点 是通过排列监视器、电池、固定和可变电阻器以及 DMM 的串联组合生成的。现有的仪表刻度在合适的点上进行标记，然后移除并扫描，扫描被用作最终布局的模板。模拟结果用于生成图 6的基准点，但结果很好地反映了现实，尽管仪表很糟糕。这些音阶可以节省您的时间，但不如从头开始制作自己的音阶那么准确(显然，其他动作需要不同的音阶)。调整 R1 以微调校准(仪表指定为 ±20%)。两种尺度都考虑了运动的非线性。

请注意，我将其称为“监视器”而不是“仪表”;对我来说，后一个术语意味着更准确的东西。尽管如此，我现在将这些构建到我的大部分开发甚至生产测试台中，它们对于发现各种故障和问题非常有用，从短路的电源线到错误编码的上拉引脚。