Schemat mikroamperomierza: galwanometr i bocznik

Pytanie

mikroamperomierz schemat

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Poniżej masz trzy sprawdzone schematy mikroamperomierzy: analogowy (galwanometr + bocznik), transimpedancyjny na wzmacniaczu operacyjnym (najbardziej uniwersalny) oraz wysokonapięciowy „high‑side” z pomiarem na boczniku i wzmacniaczem różnicowym.
• Dołączam wzory do doboru elementów, przykłady obliczeń i wskazówki montażowe oraz ochronne.

Szczegółowa analiza problemu

• Konteksty użycia:
  • DC, małe prądy (nA–mA) – minimalizacja napięcia obciążenia (burden voltage) ma krytyczne znaczenie.
  • „High‑side”/obwody na potencjale innym niż masa – potrzebny pomiar różnicowy.
  • AC/naprzemienny, małe prądy – potrzebny precyzyjny prostownik (aktywny).

1) Analogowy mikroamperomierz: ustrój magnetoelektryczny + bocznik

Schemat (z zabezpieczeniem ustroju):

• Rm – rezystancja cewki ustroju (np. 2 kΩ), Ifs – prąd pełnej skali (np. 50 µA)
• Rsh – bocznik równoległy, D1/D2 – diody zabezpieczające antyrównolegle, Rs – niewielki szeregowy „bezpiecznikowy”

Wejście(+) —[Rs]—(Ustrój: Rm, Ifs)———┐
│
[Rsh]
│
Wejście(−)———————————————┘
D1 i D2 antyrównolegle równolegle do ustroju

Dobór bocznika:

• Rsh = (Ifs · Rm)/(Izakres − Ifs)
  Przykład: ustrój 50 µA, Rm = 2 kΩ; chcesz zakres 0–500 µA:
• Ish = 500 µA − 50 µA = 450 µA
• Rsh = (50e−6 · 2000)/450e−6 ≈ 222 Ω (dobierz 221 Ω + trymer)
  Uwagi:
• Burden voltage na pełnej skali: Vfs ≈ Ifs · Rm (tu 0,05 mA · 2 kΩ = 0,1 V).
• Diody (np. 1N4148) chronią cewkę przy przeciążeniu; Rs (np. 10–100 Ω) ogranicza udary.

Kiedy wybrać: proste wskaźniki analogowe, brak zasilania, szybka budowa. Ograniczenia: relatywnie duże burden voltage i wrażliwość na temperaturę.

2) Transimpedancyjny mikroamperomierz (TIA) – prąd→napięcie na WO

Najbardziej uniwersalny do µA/nA, najmniejszy burden voltage (wejście ~wirtualna masa).

Wejście(+) —— do odniesienia Vref (zwykle 0 V lub połowa zasilania)
Wejście prądowe Iin → (wejście − WO)
Od wyjścia WO → [Rf] → (wejście − WO)
Opcjonalnie równolegle z Rf: [Cf] (stabilność)
Wyjście: Vout = Vref − Iin · Rf

• Rf dobierasz z czułości: dla zakresu 0–100 µA i pożądanego 0–4 V: Rf = 4 V / 100 µA = 40 kΩ (stosowo 39 kΩ + trymer).
• Cf 10–100 pF (zależnie od pojemności źródła prądu), zapewnia stabilność.
• WO: niski prąd polaryzacji wejść i niski offset (JFET/CMOS/„zero‑drift”), np. OPA376/OPA333/ADA4528/LTC2063/LMC6001 (dla nA/pA).
• Vref:
  • 0 V: pomiar prądów „do masy” (Vout ujemne dla Iin>0 w układzie odwracającym – przy zasilaniu pojedynczym ustaw Vref ≈ VCC/2).
  • Vref = VCC/2: pomiar bipolarny; Vout = Vref ± I · Rf.
• Burden voltage: ~0 V (praktycznie rzędu µV–mV wynikających z wejściowych prądów polaryzacji i ograniczeń WO).
• Ochrona: rezystory 100–1k w szereg z wejściami WO + diody do szyn zasilania lub zacisku Vref, ewentualnie transile dla ESD.
• Layout: „guard ring” wokół węzła wejściowego prowadzony potencjałem zbliżonym do węzła (dla nA/pA – mocno redukuje upływy), czyste PCB, brak topników pod elementami wysokiej impedancji.

Kiedy wybrać: precyzyjne pomiary, czułe obwody, chcesz minimalnego wpływu miernika.

3) Pomiar „high‑side” (różnicowy) na boczniku z wzmacniaczem

Dla obwodów, gdzie nie możesz „przerywać” powrotu do masy lub występuje wysoki potencjał wspólny.

Źródło +V —[Rsh]— Obciążenie — Masa
| |
+IN −IN (wejścia wzmacniacza różnicowego/układu pomiarowego)
└──> Vout = G · (I · Rsh) (do miernika/ADC)

• Rsh: możliwie mały, by zredukować spadek (burden): Vburden = I · Rsh.
• Wzmacniacz różnicowy/układ czujnika prądu: np. INA19x/INA21x/INA226‑klasa; albo klasyczny wzmacniacz pomiarowy (instrum.) plus filtr.
• Zasilanie układu dobierz do maksymalnego napięcia wspólnego (CMR) i oczekiwanego zakresu wyjścia.

Kiedy wybrać: pomiar na dodatniej szynie zasilania, monitorowanie zasilania, integracja z mikrokontrolerem/ADC.

4) AC/zmienny mikroamperomierz (w skrócie)

• Dla bardzo małych prądów nie używaj diody prostowniczej pasywnej (spadek ~0,2–0,7 V jest „ogromny” w porównaniu z sygnałem).
• Zastosuj TIA + precyzyjny prostownik aktywny (mostek na WO) + filtr RC (wartość skuteczna/uśrednienie) lub detekcję szczytową.

Aktualne informacje i trendy

• WO „zero‑drift”/chopper o µV‑owym offsetcie i pA‑owych prądach polaryzacji oraz bardzo małym dryfcie – idealne do µA/nA.
• Układy „current‑sense” high‑side z interfejsem cyfrowym (I²C/SPI) i wbudowanym ADC (np. 16‑bit), umożliwiają bezpośrednie podanie wyniku do MCU.
• Rezystory precyzyjne niskotemperaturowe (≤25 ppm/°C) w obudowach o niskim prądzie upływu pozwalają schodzić do nA.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Niepewność i błędy:
  • offset i dryft WO, prądy polaryzacji (przy I=µA błędy rzędu pA już istotne),
  • szumy 1/f, pojemności pasożytnicze (TIA wymaga Cf),
  • upływy po PCB, wilgoć, brud – kluczowe przy nA/pA.
• Kalibracja:
  • punkt „0” (offset) i pełna skala (gain) – najlepiej dwupunktowo; w analogowym z bocznikiem – trymer równoległy do Rsh.
• Ekranowanie i okablowanie:
  • kable ekranowane, przy nA – kable niskoszumowe (ograniczanie efektów triboelektrycznych), możliwie krótki tor sygnału.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo pracy przy pomiarach „high‑side” i/lub powyżej 60 V DC: stosuj izolację, bezpieczniki, elementy o właściwych kategoriach przepięciowych; nie mierz prądu bezpośrednio równolegle do źródła (ryzyko zwarcia).
• Ochrona ESD elementów o bardzo wysokiej impedancji wejściowej (TIA).

Praktyczne wskazówki

• Zestaw startowy (DC, 0–100 µA):
  • Zasilanie: 5 V,
  • WO: OPA333/OPA376,
  • Rf = 39 kΩ + trymer 5 kΩ, Cf = 22–100 pF,
  • Vref = 2,5 V (połowa 5 V) – pomiar bipolarny, Vout = 2,5 V − I · Rf,
  • Ochrona: 2× diody do Vref (schottky), 1 kΩ w szereg z wejściem.
• Wielozakresowość:
  • Przełączane Rf (np. 4 kΩ/40 kΩ/400 kΩ) przekaźnikami reed lub dobrej jakości przełącznikiem obrotowym; dla nA stosuj przekaźniki z teflonowymi gniazdami.
• Weryfikacja:
  • Źródło prądowe wzorcowe: napięcie odniesienia + rezystor precyzyjny (np. 1,0000 V przez 100 kΩ → 10 µA).
  • Porównanie wskazań z DMM na µA z uwagą na jego burden voltage.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Analog z bocznikiem: większy wpływ temperatury i burden voltage – może zaburzać badany układ o niskim napięciu.
• TIA: wymaga zasilania, dbałości o stabilność (Cf) i layout (guarding), inaczej może oscylować.
• High‑side: ograniczenia napięcia wspólnego; trzeba sprawdzić CMR wybranego układu.

Sugestie dalszych badań

• „Transimpedance amplifier stability and noise” – noty aplikacyjne WO (TI/ADI).
• „Guarding techniques for high‑impedance measurements”.
• „Current‑sense amplifiers high‑side vs low‑side – selection guide”.
• „Active rectifier for precision AC measurement at microamp level”.

Krótkie podsumowanie

• Do prostych, niekrytycznych zastosowań: galwanometr + bocznik (policz Rsh z podanego wzoru).
• Do precyzyjnych, minimalnie inwazyjnych pomiarów µA/nA: transimpedancyjny mikroamperomierz na WO (Vout = Vref − I · Rf, z Cf dla stabilności).
• Do pomiaru na dodatniej szynie/„high‑side”: bocznik + wzmacniacz różnicowy/układ current‑sense.

Jeśli podasz: zakres (np. 0–100 µA/0–1 mA), DC/AC, wymagane napięcie wyjściowe (np. 0–5 V), dostępne zasilanie i czy pomiar ma być „high‑side”, przygotuję konkretny schemat z wartościami elementów i listą części.