في هذه المقالة، نقارن بين مُضخّمات استشعار التيار والمُضخّمات التفاضلية، ونُحلّل بنيتها وخصائص أدائها وفروق تطبيقاتها. ونُسلّط الضوء على مزايا مُضخّمات استشعار التيار في عرض النطاق الترددي، ونسبة رفض الوضع المشترك (CMRR)، وتطبيقات الترددات العالية.

الاختلافات المعمارية بين مكبرات استشعار التيار والمكبرات التفاضلية

بخلاف المضخمات التفاضلية، التي تعتمد على شبكات مقاومات الإدخال لتخفيف جهد الإدخال، عادةً ما تستخدم مضخمات استشعار التيار بنية فريدة. فهي تستخدم ترانزستورات إدخال عالية الجهد للتعامل مباشرةً مع جهد الوضع المشترك الكبير والمتغير بسرعة، مع تضخيم جهد التحويل التفاضلي الصغير بدقة (الشكل 1).

الشكل 1. مثال على مكبر استشعار التيار

في المضخمات التفاضلية، تُضعف إشارة الدخل التفاضلية أولًا بواسطة شبكة مقاومات، ثم تُضخَّم مجددًا إلى مستوى الدخل الأصلي مع كسب إضافي لتحقيق التضخيم النهائي للإشارة عند الخرج. استعادة الدخل المُضعف إلى سعة إشارته الأصلية يستهلك جزءًا من حاصل ضرب الكسب في عرض النطاق الترددي للمضخم الداخلي، مما يُضحي بعرض النطاق الترددي لتحقيق كسب إضافي.

في المقابل، لا تُضعف مُضخِّمات استشعار التيار الإشارات بفضل ترانزستورات الإدخال عالية الجهد، مما يُلغي الحاجة إلى مكسب إضافي لاستعادة سعة الإشارة. هذا يسمح للمُضخِّم التشغيلي الداخلي بالاحتفاظ بنطاق ترددي أكبر لتضخيم الإشارة.

مزايا الأداء لمضخمات استشعار التيار

ميزة عرض النطاق الترددي: على سبيل المثال، يتميز مُضخّم AD8206 التفاضلي بعرض نطاق إشارة صغير يبلغ -3 ديسيبل يبلغ 100 كيلوهرتز، بينما يوفر مُضخّم استشعار التيار AD8210 عرض نطاق ترددي يبلغ 450 كيلوهرتز. هذا العرض الترددي المُتزايد لمُضخّمات استشعار التيار يجعلها مثالية للتطبيقات عالية التردد أو السيناريوهات التي تتطلب اكتشاف تيارات عابرة سريعة.

نسبة رفض الوضع المشترك العالية (CMRR): تظهر مكبرات استشعار التيار بشكل عام نسبة CMRR أعلى، وعادة ما تكون في نطاق 100 ديسيبل إلى 120 ديسيبل أو أعلى، في حين أن معظم مكبرات الصوت التفاضلية لها نسبة CMRR بين 80 ديسيبل و100 ديسيبل.

نطاق جهد الوضع المشترك: من عيوب نطاق التردد الأكبر لمضخمات استشعار التيار غياب شبكات التوهين الداخلية. هذا يحد من قدرتها على قبول جهد دخل عالي جدًا للوضع المشترك مقارنةً بالمضخمات التفاضلية. مع ذلك، لا تزال مضخمات استشعار التيار تدعم نطاقات جهد عالية للوضع المشترك، تتراوح عادةً بين 80 و100 فولت.

مزايا مكبرات استشعار التيار في قياسات التيار سريعة التغير

تُستخدم مُضخِّمات استشعار التيار عادةً لقياس تيارات التبديل الكبيرة. عند قياس هذه التيارات على الجانب العلوي من الحمل، قد يتذبذب جهد الوضع المشترك عبر مقاومة التحويل بسرعة بين مستوى الأرض وجهد التغذية.

يمكن أن تُحدث هذه التغيرات السريعة تذبذباتٍ عابرةٍ كبيرةٍ عند مدخل المُضخِّم. في بعض الحالات، قد تتجاوز تذبذبات جهد الوضع المشترك سعة الإشارة نفسها. في الوضع الأمثل، ينبغي أن يُنتج المُضخِّم خرجًا يعكس جهد الاستشعار التفاضلي المُضخَّم فقط. مع ذلك، في التطبيقات العملية، قد يُظهر الخرج استجابةً تدريجيةً للوضع المشترك.

تتميز مكبرات استشعار التيار بقدرتها على قمع طفرات الوضع المشترك العابرة الناجمة عن خطوات الجهد السريع المتغيرة في الوضع المشترك، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات استشعار التيار ذات السعات المتغيرة بسرعة.

تطبيق مكبرات استشعار التيار في أنظمة التحكم في المحركات ثلاثية الطور

من الأمثلة الرئيسية على التبديل السريع للجهد في الوضع المشترك قياس تيار الطور في نظام تحكم محرك ثلاثي الطور. في هذه الأنظمة، يرسل جهاز التحكم إشارات تعديل عرض النبضة (PWM) إلى مرحلة العاكس لتشغيل كل طور من أطوار المحرك (الشكل 2).

الشكل 2. استشعار تيار التحكم في المحرك ثلاثي الطور

يُوصَل مقاوم تحويلي على التوالي مع المحرك لقياس فرق الجهد عبره، مما يُوفِّر تغذية راجعة فورية للتيار. تُمكِّن هذه التغذية الراجعة وحدة التحكم من تحديد طور كل إشارة. مع وصول كل نبضة تعديل عرض النبضة (PWM)، يتحول جهد الوضع المشترك عند مقاوم التحويل بسرعة عبر كامل نطاق التغذية، من فولت سالب (V-) إلى فولت موجب (V+). تتطلب هذه التحولات السريعة في تعديل عرض النبضة (PWM) مُضخِّمات ذات نطاق ترددي عالٍ وكبح فعال للتجاوزات العابرة أثناء ارتفاع وانخفاض الحواف.