Токоизмерительный резистор как работает

Компоненты для измерения тока

Измерение тока используется для контроля над разными параметрами, один из которых — мощность на нагрузке. Существует немало считывающих элементов для измерения тока через нагрузку. Их выбор диктуется потребностями каждого конкретного устройства, а также величиной измеряемого тока. Мы обсудим в этой статье три разных типа считывающих компонентов для измерения тока.

1. Шунтовые резисторы
Шунты и шунтовые резисторы — про­стейший вариант токочувствительных элементов. Необходимо лишь помнить о температурном коэффициенте сопро­тивления (ТКС) резистора и избегать его нагрева. Напомним эмпирическое правило выбора токочувствительного резистора: его максимально допусти­мая мощность должна не менее чем в два раза превышать рабочую мощность рассеивания.

Изменение температуры резистора в зависимости от величины протекающего через него тока прямо пропорциональ­но отношению номинальной мощности к рассеиваемой.

При выборе токочувствительно­го резистора необходимо учитывать тепловое сопротивление его кор­пуса. Этот параметр, представляющий собой тепловое сопротивление между резистором и его внешней поверхно­стью, является основным показателем, который определяет повышение тем­пературы резистора. В таблице пере­числены тепловые сопротивления стандартных корпусов для поверхност­ного монтажа.

Ширина проводника
При проектировании печатной платы необходимо, чтобы ее медные проводники выдержали максимальный ток, необходимый для устройства.
Для каж­дого устройства необходимо найти разумный компромисс между толщи­ной, шириной проводников и стоимо­стью.

Топология
Длина проводников между токо­измерительным резистором и измери­тельной схемой должна быть как можно меньше, чтобы уменьшить не только сопротивление проводника, но и его паразитные емкость и индуктивность, которые могут внести погрешность в показания быстроменяющегося тока.

Подключение сигнальных проводни­ков к токочувствительному резистору
Рекомендуется использовать токо­чувствительный резистор с четырьмя
выводами. Если по какой-либо при­чине применяются резисторы с двумя выводами, то сигнальная шина должна находиться под токочувствительным резистором в том месте, где он соединя­ется с контактной площадкой печатной платы.

Во многих случаях ширина токо­чувствительных резисторов меньше ширины токонесущих шин. Проводники соединяются с этими шинами под углом 45°, чтобы обеспечить равномерное про­текание тока.

Магнитные помехи
Величина генерируемого проводни­ком магнитного поля прямо пропорцио­нальна току через проводник и обратно пропорциональна расстоянию до точки измерения. Необходимо помнить, что сигналь­ные проводники с высоким импе­дансом не должны располагаться параллельно проводникам с большим током. Следует избегать пересечения проводников с большими токами. Если это невозможно по какой-то причине, рекомендуется располагать эти про­водники перпендикулярно друг другу и пересекать тот слой, который наибо­лее удален от сигнального проводника, чтобы ограничить влияние помех.

2. Схемы с активными сопротивлениями

Рассмотрим проектирование токо­чувствительных схем с активными сопротивлениями (direct current resistance, DCR), которые не вызывают дополнительных потерь на измери­тельной цепочке.

Как правило, схемы с активными сопротивлениями используются в низ­ковольтных устройствах, в которых падение напряжения на токочувстви­тельном резисторе составляет значи­тельную долю от величины напряжения питания, подаваемого на нагрузку.
Схема измерения тока с активным сопротивлением представляет собой альтернативу токочувствительным резисторам. В ней используется пара­зитное сопротивление индуктора для измерения тока нагрузки. Эта схема дистанционно измеряет ток через дроссель импульсной цепи регулято­ра. Благодаря отсутствию компонентов, установленных последовательно регулятору на нагрузке, схема работа­ет без потерь.
У правильно согласованной DCR-схемы эффективный импеданс со стороны АЦП равен сопротивлению индуктора. На рисунке представлена простая схема с активным сопротив­лением для измерения тока нагрузки понижающего импульсного преобразо­вателя.

Проектирование DCR-схемы, не оснащенной функцией регулировки, увеличивает погрешность измерений до 35%, что связано с разбросом значений индуктивности и емкости в этой схеме. В некоторых случаях погрешность измерений может увеличиваться до 50%. Но использование простой выравни­вающей схемы с энергонезависимыми цифровыми потенциометрами (digital potentiometers, DCP) существенно повы­шает точность измерения тока.

Итак, DCR-схемы не вносят потерь и занимают мало места на печатной плате. Поскольку эти решения требуют настройки для правильного функционирования, необходимы дополнительные меры при изготовлении устройств на их основе. Большие допуски на отклонения значений реактивных компонентов могут привести к большому разбросу значений между эффективными сопротивлениями схем. Большие температурные коэффициенты индукторов и конденсаторов увеличивают погрешность схемы. В целом, архитектуру схемы с активным сопротивлением можно считать хорошей для измерения больших токов.

3. Датчики Холла
Рассмотрим датчики Холла. Как правило, эти датчики, предназна­ченные для сильноточных устройств, определяют ток через проводник путем измерения индукции его маг­нитного поля. Поскольку измерение тока осуществляется дистанционно, считается, что датчики Холла работают без потерь. Эти устройства предназначены для систем с током выше 200 А, т.к. мощность, рассеиваемая токочув­ствительным резистором, достаточно велика.

На рисунке иллюстрируется базовая концепция метода измерения тока на основе эффекта Холла. В этой схеме ток через проводник опреде­ляется путем измерения индукции генерируемого им магнитного поля В. Величина поля прямо пропорциональ­на протекающему току и определяется его направлением.
Линейные датчики Холла являются активными схемами, потребляющими ток 3-10 мА. Уровень шума этих датчиков составляет около 25 мВ, или 5 Гс. Данные устройства не годятся для устройств с малыми токами или большими расстояниями между проводником и датчиком из-за большого шума и потребляемого тока.

Условия, в которых эксплуатируются сигнальный проводник и датчик, следует учитывать при измерении слабых магнитных полей. Линейные датчики Холла измеряют суммарное магнитное поле в месте нахождения самого датчика. Проводники с током, расположенные рядом с датчиком, изменяют величину измеряемого магнитного поля, ухудшая точность показаний. Датчик также реагирует на другие внешние магнитные поля, возникающие при переключении двигателя или любого другого генерирующего энергию устройства.

Для ограничения влияния внешних магнитных полей на датчики используется магнитный экран, который окружает проводник с током. На рисунке показан пример использования металлического кожуха (клетки Фарадея), экранирующего проводник и датчик.

Недавно на рынке появились датчики Холла с интегрированным проводящим каналом, цепью компенсации и защитным экраном. Интеграция проводящего канала в датчик облегчает расчет выходного сигнала в функции тока через проводник. Однокристальное решение упрощает схему устройства и разработку приложения по измерению тока с помощью датчика Холла.

Несмотря на то, что за последнее время конструкция датчиков на эффекте Холла была усовершенствована, их точность и защита от помех увеличились, применение этой технологии ограничено сильноточными устройствами. Датчики Холла рассеивают меньшую мощность, чем шунтовые резисторы.

Шунтовые резисторы — наиболее распространенные токочувствительные элементы благодаря простоте схемного решения и его стоимости, а также точности измерений. DCR-схемы предназначены для устройств с импульсными регуляторами и малыми регулируемыми выходными напряжениями благодаря дистанционному измерению тока. Наконец, датчики Холла предназначены для сильноточных устройств, поскольку рассеиваемая ими мощность меньше, чем у решений на основе шунтовых резисторов.

У каждого из трех рассмотренных решений имеются свои преимущества и недостатки. Из-за того, что шунтовые резисторы рассеивают мощность, энергоэффективность решений на основе этих компонентов сравнительно невелика. К тому же в устройствах с низким напряжением величина падения напряжения на токочувствительном резисторе может быть соизмерима с рабочим напряжением, что недопустимо. Работа схемы с использованием активного сопротивления (DCR) зависит от согласования конденсатора и индуктора. Оба компонента имеют большие допуски и высокие температурные коэффициенты. Датчик Холла восприимчив к окружающему шуму, и его применение осложняется недостатками схемы. Несмотря на усовершенствование этой технологии, до сих пор ограничивающим фактором на пути ее применения остается точность измерений.

Источник

Резистивные методы измерения тока для точного контроля в электронных схемах

Эта статья знакомит читателя с токоизмерительными резисторами, их основными параметрами, методами измерения тока, а также преимуществами и недостатками трех типовых схем измерения тока на стороне источника.

Измерительные резисторы

Ток почти всегда измеряется косвенно — часто по падению напряжения (V = I×R) на резисторе, через который он протекает. Токоизмерительные резисторы недороги, могут обеспечивать высокую точность измерения в диапазоне от очень слабых до средних токов и пригодны для использования в цепях переменного и постоянного тока. Их недостаток — внесение дополнительного сопротивления в участок цепи, на котором производится измерение, что может вести к повышению выходного сопротивления источника и нежелательному эффекту нагружения, а также вызывает рассеяние мощности на этом сопротивлении (P = I 2 ×R). Поэтому токоизмерительные резисторы редко используются кроме как на слабых и средних токах.

Указанный недостаток можно свести к минимуму, используя низкоомные измерительные резисторы. Однако при этом падение напряжения на измерительном резисторе может стать сравнимым с входным напряжением смещения расположенной далее аналоговой цепи нормирования сигнала, что отрицательно скажется на точности измерения.

Если измеряемый ток содержит значимую высокочастотную составляющую, необходимо, чтобы измерительный резистор обладал малой собственной индуктивностью, иначе точность измерения снизится за счет реактивного напряжения на нем. К другим важным параметрам измерительного резистора относятся допуск на номинал, температурный коэффициент сопротивления (ТКС), термоЭДС, номинальный диапазон температур и номинальная мощность (последняя должна быть достаточно велика, чтобы резистор выдерживал кратковременные импульсы тока и переходные процессы).

Измерение на стороне «земли» и источника

Есть два основных метода измерения тока — на стороне «земли» и на стороне источника. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Как показано на рис. 1, при измерении на стороне «земли» резистор включается между нагрузкой и «землей». Обычно сигнал напряжения (V_SEN = I_SEN×R_SEN) на измерительном резисторе настолько мал, что для получения измеримого выходного напряжения (V_OUT) его приходится усиливать с помощью схем на операционных усилителях (например, неинвертирующего усилителя). Такую схему отличают низкое входное синфазное напряжение, вход и выход с отсчетом напряжения от «земли», простота и дешевизна, но при этом она подвержена помехам по «земляной» цепи, а потенциал «земли» с точки зрения нагрузки (пользовательской схемы) оказывается выше потенциала системной «земли», поскольку R_SEN добавляет нежелательное сопротивление в «земляную» цепь. К другим недостаткам относятся невозможность обнаружить протекание через нагрузку большого тока, вызванного случайным коротким замыканием (на истинную «землю»), а также необходимость в компонентах с низким V_DD.

Рис. 1. Измерение тока на стороне «земли»

В конфигурации с одним источником питания самым важным аспектом измерения тока на стороне «земли» является то, что диапазон синфазных входных напряжений (V_CM) операционного усилителя должен включать потенциал «земли». Измерение на стороне «земли» следует применять в случаях, когда обнаружение короткого замыкания не требуется, а помехи по «земляной» цепи допустимы.

При измерении на стороне источника (рис. 2) измерительный резистор включается между источником питания и нагрузкой, что исключает помехи по «земляной» цепи, позволяет непосредственно соединить пользовательскую цепь с «землей» и делает возможным обнаружение короткого замыкания. Однако измерительная схема должна выдерживать очень высокие динамически изменяющиеся синфазные входные напряжения, что усложняет конструкцию, повышает ее стоимость и вынуждает использовать компоненты с высоким V_DD.

Рис. 2. Измерение тока на стороне источника

В конфигурации с одним источником питания диапазон V_CM дифференциального усилителя должен быть достаточно широким, чтобы выдерживать высокие синфазные входные напряжения, и при этом дифференциальный усилитель должен подавлять динамически изменяющиеся синфазные входные напряжения.

Реализация измерения на стороне источника

Измерение тока на стороне источника обычно применяется в схемах, где помехи по «земляной» цепи недопустимы и требуется обнаружение короткого замыкания — например, в схемах контроля электродвигателей и управления ими, схемах контроля и защиты от перегрузки по току, автомобильных системах безопасности и схемах контроля тока аккумуляторов.

На рис. 3 показана первая из схем измерения на стороне источника — это дифференциальный усилитель, состоящий из ОУ MCP6H01 и четырех внешних резисторов, который усиливает с коэффициентом R₂/R₁ малое падение напряжения на измерительном резисторе, подавляя при этом синфазное входное напряжение.

Рис. 3. Дифференциальный усилитель на одном ОУ

Коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя (CMRR_DIFF) определяется главным образом рассогласованием сопротивлений (R₁, R₂, R₁*, R₂*), а не одноименным параметром операционного усилителя; применение резисторов с малыми допусками повысит стоимость схемы. При R₂/R₁ = 1 и допуске резисторов 0,1% коэффициент подавления синфазного сигнала дифференциального усилителя CMRR_DIFF на постоянном токе для худшего случая будет равен 54 дБ, а если использовать резисторы с допуском 1%, он составит всего 34 дБ (подробные расчеты приведены в [1]).

Сопротивление R_SEN должно быть много меньше R₁ и R₂, чтобы свести к минимуму эффекты резистивного нагружения. Входные сопротивления дифференциального усилителя с точки зрения V₁ и V₂ разбалансированы. Имейте в виду, что эффект резистивного нагружения и разбаланс входных сопротивлений ухудшит параметр CMRR_DIFF.

Опорное напряжение (V_REF) позволяет сместить выходное напряжение усилителя выше относительно «земли». Напряжение V_REF должно вырабатываться источником с низким выходным сопротивлением, чтобы не снижать CMRR_DIFF.

Кроме того, как показано на рис. 3, входные напряжения (V₁, V₂) могут быть представлены синфазным входным напряжением (V_CM) и дифференциальным входным напряжением (V_DM):

Чтобы выходное напряжение V_OUT не насыщало шины питания, его необходимо удерживать в допустимом диапазоне от V_OL до V_OH. Диапазон V_CM дифференциального усилителя расширен благодаря делителям на резисторах R₁, R₂, R₁* и R₂*. Если коротко, это налагает ограничения на номинальные значения V_DM и V_CM дифференциального усилителя (пример расчета — в [1]).

Итак, дифференциальные усилители характеризуются умеренным коэффициентом подавления синфазного сигнала, широким диапазоном синфазных входных напряжений, низким энергопотреблением, дешевизной и простотой, а к их недостаткам относятся эффекты резистивного нагружения, разбаланс входных сопротивлений и необходимость изменять номинал более чем одного резистора для корректировки коэффициента усиления.

Измерительный усилитель на трех ОУ

На рис. 4 показан измерительный усилитель на трех ОУ, который усиливает малые дифференциальные напряжения и подавляет высокие синфазные напряжения. Первый каскад представляет собой пару буферных усилителей с высоким входным сопротивлением (A₁, A₂) и резисторов (R_F и R_G), которые позволяют избежать проблем, связанных c резистивным нагружением входов и разбалансом входных сопротивлений. Вдобавок R_F и R_G повышают коэффициент усиления дифференциального напряжения входных буферных усилителей (G_DM) до 1+2R_F/R_G, сохраняя при этом коэффициент усиления синфазного напряжения (G_CM) равным 1. Тем самым существенно повышается коэффициент подавления синфазного сигнала измерительного усилителя на трех ОУ (CMRR_3INA), так как CMRR = 20log(G_DM/G_CM). Еще одно преимущество состоит в том, что суммарный коэффициент усиления измерительного усилителя можно варьировать, изменяя только R_G, а сопротивления R₁, R₁*, R₂ и R₂* могут оставаться неизменными.

Рис. 4. Измерительный усилитель на трех ОУ

Второй каскад представляет собой дифференциальный усилитель (A₃), усиливающий дифференциальное напряжение и подавляющий синфазное напряжение. На практике отношение R₂/R₁ обычно устанавливается равным 1. CMRR_3INA определяется главным образом коэффициентом усиления дифференциального напряжения первого каскада и общей точностью согласования R₂/R₁ и R₂*/R₁*. Допуски резисторов R_F и R_G не влияют на CMRR_3INA.

В случае использования измерительного усилителя на трех ОУ легко упустить из виду распространенную проблему — сужение диапазона синфазных входных напряжений (V_CM). Как показано на рис. 4, входные напряжения (V₁, V₂) могут быть представлены синфазным входным напряжением (V_CM) и дифференциальным входным напряжением (V_DM):

Усилители (A₁, A₂) обеспечивают коэффициент усиления дифференциального напряжения (G_DM), равный суммарному коэффициенту усиления (G), и единичный коэффициент усиления синфазного сигнала (G_CM). V_OUT1, V_OUT2 и V_OUT должны оставаться в пределах допустимого диапазона выходных напряжений — от V_OL до V_OH. Конфигурация с измерительным усилителем на трех ОУ также налагает конкретные ограничения на V_DM и V_CM; в частности, его диапазон V_CM значительно сузится при работе с высоким коэффициентом усиления.

Измерительный усилитель на трех ОУ характеризуется высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR_3INA), отсутствием эффектов резистивного нагружения, сбалансированными входными сопротивлениями и возможностью варьировать суммарный коэффициент усиления, изменяя номинал всего лишь одного резистора. При этом диапазон V_CM, наоборот, сужается, а большее число операционных усилителей повышает энергопотребление и стоимость.

Измерительный усилитель на двух ОУ

Измерительный усилитель на двух ОУ, изображенный на рис. 5, отличается от измерительного усилителя на трех ОУ меньшей стоимостью и более низким энергопотреблением. Его входные сопротивления также весьма высоки, что позволяет избежать проблем, связанных с эффектами резистивного нагружения и разбалансом входных сопротивлений. Коэффициент подавления синфазного сигнала этого усилителя (CMRR_2INA) определяется главным образом суммарным коэффициентом усиления и общей точностью согласования R₂/R₁ и R₂*/R₁*.

Рис. 5. Измерительный усилитель на двух ОУ

Как показано на рис. 5, входные напряжения (V₁, V₂) могут быть представлены синфазным входным напряжением (V_CM) и дифференциальным входным напряжением (V_DM):

Опять-таки, V_OUT и V_OUT1 должны оставаться в пределах допустимого диапазона выходных напряжений от V_OL до V_OH, и эта конфигурация также налагает ограничения на значения V_DM и V_CM.

В отличие от измерительного усилителя на трех ОУ, диапазон V_CM усилителя на двух ОУ значительно сузится при работе с низким коэффициентом усиления. Более того, асимметрия схемы на пути прохождения синфазного сигнала вызовет задержку по фазе между V_OUT1 и V₁, ухудшив коэффициент подавления синфазного сигнала на переменном токе. На рис. 5 видно, что входной сигнал V₁ должен пройти через усилитель A₁, прежде чем он будет вычтен из V₂ усилителем A₂. Таким образом, напряжение V_OUT1 слегка задерживается и сдвигается по фазе относительно V₂. Это существенное ограничение.

На рис. 6 показано, что, включив резистор R_G между двумя инвертирующими входами, можно легко задавать суммарный коэффициент усиления измерительного усилителя на двух ОУ, изменяя только R_G. Отношение R₂/R₁ обычно следует выбирать так, чтобы обеспечить требуемое минимальное усиление. Еще одно преимущество дополнительного резистора R_G заключается в том, что в этом случае можно избежать использования больших номиналов R₂ и R₂* в конфигурациях с очень высоким коэффициентом усиления. Как и для других конфигураций, подробные расчеты с результирующими требованиями к V_DM и V_CM для измерительного усилителя на двух ОУ с дополнительным резистором R_G приведены в [1].

Рис. 6. Измерительный усилитель на двух ОУ с дополнительным резистором R_G

Этот окончательный вариант схемы характеризуется высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала на постоянном токе (CMRR_2INA), отсутствием эффекта резистивного нагружения, сбалансированными входными сопротивлениями, а также пониженными стоимостью и энергопотреблением по сравнению с измерительным усилителем на трех ОУ. Его недостатками являются более узкий диапазон V_CM, низкий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR_2INA) на переменном токе, обусловленный асимметрией цепи, и невозможность работы при единичном усилении.

Источник

Основы измерения тока: Токоизмерительные резисторы. Часть 1

Начинаем публикацию статьи, состоящей из трех частей, в которой рассматриваются недооцениваемые особенности чувствительности при измерении тока. В первой части статьи обсуждаются общие настройки, выбор и реализация токоизмерительного резистора. Во второй части будут рассматриваться действующие совместно схемы, такие как необходимый аналоговый усилительный интерфейс (analog front-end (AFE)) и измерительный усилитель. В третьей части обсуждается использование усилителей при измерении тока в тех случаях, когда нагрузка находится под более высокими напряжениями.

Основы измерения тока

Сила тока является одним из наиболее распространенных параметров, используемых для оценки, контроля и диагностики эффективности работы электронных систем. Поскольку это широко распространенное измерение, разработчики часто сталкиваются с проблемами, если недооценивают особенности точного измерения силы тока.

Наиболее распространенным чувствительным элементом, используемым для регистрации тока, является прецизионный низкоомный резистор, устанавливаемый в разрыв цепи тока. На этом резисторе, обычно называемом шунтом, создается падение напряжения, пропорциональное проходящему через него току. Поскольку шунтовый резистор не должен оказывать существенного влияния на ток, он часто имеет довольно маленькое номинальное сопротивление, порядка нескольких миллиом или долей миллиом. В результате падающее на шунтовом резисторе напряжение также довольно маленькое и часто требует усиления перед преобразованием с помощью АЦП.

Таким образом, общая конфигурация сигнальной цепи для контроля тока включает аналоговый усилитель (AFE) падающего на шунтовом резисторе напряжения, АЦП для преобразования усиленного напряжения в цифровое представление и системный контроллер (рис. 1).

Рис. 1. Самый простой способ измерения протекающего тока связан с использованием шунтового резистора (крайний слева), на котором падает напряжение, пропорциональное протекающему через него току. Усилитель AFE усиливает низкое напряжение на шунтовом резисторе, чтобы использовать полный диапазон измерений АЦП.

В качестве усилителя AFE обычно используется операционный усилитель или специализированный токовый усилитель, который преобразует небольшое, падающее на шунтовом резисторе дифференциальное напряжение, в повышенное выходное напряжение, которое использует в АЦП полный измерительный диапазон. АЦП, который может быть автономным устройством или встроенным блоком в микроконтроллере или системе на кристалле (SoC), оцифровывает сигнал напряжения и передает полученную информацию управляющему процессору. Системный контроллер использует оцифрованное измерение силы тока, чтобы оптимизировать характеристики системы или внедрить протоколы безопасности, чтобы предотвратить повреждение системы, если ток превышает заданный предел.

Поскольку для преобразования тока в напряжение использован сенсорный компонент в цепи, все физические характеристики резистора (сопротивление, допуск величины, мощность, тепловой коэффициент и тепловая ЭДС) влияют на точность. Следовательно, выбор подходящего шунтового резистора имеет решающее значение для оптимизации измерения тока.

Величина шунтового резистора и падающее на нем напряжение оказывают воздействие на систему. Например, шунтовый резистор со слишком большим сопротивлением может вызвать ненужные потери и понизить напряжение на нагрузке.

Например, при измерении тока, протекающего через обмотку двигателя, пониженное напряжение уменьшает доступную для двигателя электрическую мощность, влияет на его эффективность и/или крутящий момент. Кроме того, большие токи (десятки или сотни ампер), протекающие через шунтовый резистор, приводят к тому, что на резисторе рассеивается значительная энергия в виде выделяемого тепла, понижая точность и эффективность измерения. По этим причинам сопротивление шунта должно быть как можно меньше.

Выбор шунтового резистора для измерения тока

Тот факт, что на шунтовых резисторах рассеивается мощность при протекании через них тока нагрузки, требует минимального значения их сопротивления. Кроме того, для стабильности измерения токоизмерительные резисторы также должны иметь очень низкий температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Малый ТКС приведет к высокой точности измерения при низкой зависимости от температуры.

Тепловая ЭДС токочувствительного резистора является еще одной важной характеристикой. Токовые шунтовые резисторы должны работать в широком диапазоне токов. Когда ток низкий, например, в приборе с батарейным питанием в режиме сна или ожидания, тепловая ЭДС шунта добавляет измерительную ошибку к напряжению, создаваемому протекающим через резистор током. Это напряжение ошибки должно быть значительно меньше, чем наименьшее ожидаемое напряжение, создаваемое протекающим через шунтовый резистор током, сводя к минимуму ошибку измерения.

Шунтовые резисторы для датчиков тока доступны с двумя или четырьмя контактами. Шунтовый резистор с двумя контактами является наиболее простым случаем для понимания, поскольку он работает так же, как и любой двухконтактный резистор. При протекании тока через двухконтактный шунтовый резистор на его контактах появляется напряжение, пропорциональное протекающему через него току.

Примерами двухконтактных шунтовых резисторов является серия шунтовых резисторов Bourns CSS2 и серия шунтовых резисторов Vishay WSLP. Серия Bourns CSS2 включает шунтовые резисторы с номинальной мощностью от 2 до 15 Вт, сопротивлением от 0,2 до 5 мОм и с максимальным диапазоном тока от 140 до 273 ампер. Типичный резистор из этих серий, CSS2H-2512R-L500F, поставляется в корпусе для поверхностного монтажа 2512, имеет сопротивление 0,5 мОм и номинальную мощность 6 Вт.

Семейство шунтовых резисторов Vishay WSLP включает устройства в нескольких типах корпусов для поверхностного монтажа в диапазоне размеров от 0603 до 2512, с допустимой мощностью от 0,4 до 3 Вт, с сопротивлениями от 0,5 мОм до 0,1 Ом, при допуске 0,5% или 1%. Типичным шунтовым токовым резистором Vishay является WSLP1206R0200FEA, который поставляется в корпусе 1206 с сопротивлением 20 мОм, допуском 1% и номинальной мощностью 1 Вт.

Обратите внимание, что эти токовые шунтовые резисторы для поверхностного монтажа (SMD) имеют незначительные размеры и занимают очень мало места на плате, но поскольку они могут рассеивать значительное количество тепла, их следует размещать достаточно далеко от чувствительных к нагреву компонентов.

Три сопротивления в одном шунтовом резисторе

Несмотря на их внешний вид, современные шунтовые резисторы не так просты, как кажутся. В частности, сопротивление шунтового резистора фактически состоит из трех частей (рис. 2). Во-первых, есть сопротивление самого шунтового резистора. Затем, есть сопротивления выводов этого резистора и дорожек на печатной плате, подключаемых к шунтовому резистору. Обычно сопротивления выводов и дорожек незначительные, но и сами шунтовые резисторы обычно имеют очень низкие значения сопротивления. При измерениях больших токов даже небольшие сопротивления выводов вносят в результаты измерения погрешность, поскольку они не учтены производителем в спецификациях шунтового резистора.

Рис. 2. Токовый шунтовый резистор с двумя контактами фактически состоит из трех последовательно соединенных сопротивлений: сопротивление самого шунтового резистора (R_shunt), сопротивление двух выводов резистора (R_lead) и сопротивление подводящих дорожек на плате, подключенных к резистору (не показано). Сопротивление выводов может вызвать ошибку измерений для большого тока.

Одним из способов, позволяющих избежать ошибок измерения, вносимых внешними сопротивлениями выводов, является создание соединения Кельвина, выполнив раздельные токоизмерительные дорожки к двухконтактному шунтовому резистору (рис. 3).

Рис. 3. Соединение Кельвина с двухконтактным токочувствительным резистором уменьшает погрешность измерения, вызываемую сопротивлением выводов резистора и дорожек печатной платы. Пример изображения двухконтактных токовых шунтовых резисторов показан справа.

В этой конфигурации ток, протекающий через резистор токового шунта, проходит через широкие подводящие дорожки на печатной плате. Гораздо более узкие дорожки, которые находятся не в основном канале протекающего тока, но расположены непосредственно рядом с резистивным элементом шунтового резистора, снимают падающее на нем напряжение и передают его на вход AFE. Разделение токоведущих и токочувствительных контактов характеризует соединение Кельвина.

Полученное в результате схематическое представление соединения Кельвина с использованием двухконтактного шунтирующего резистора показано на рис. 4.

Рис. 4. Использование соединения Кельвина с двухконтактным шунтовым резистором выводит линии измерения напряжения из основной цепи тока, что приводит к более точному измерению напряжения на шунтовом резисторе

Очень малый ток протекает через два токочувствительных резистора (R_sense), показанных на рис. 4, потому что они подключены к имеющим высокий импеданс входам усилителя либо АЦП, что делает их сопротивления намного менее критичными, чем значения сопротивления выводов, через которые протекает большой ток шунтового резистора. Следовательно, падение напряжения на резисторах Rsense довольно небольшое и не является значительным источником ошибки при измерении тока.

Что лучше, два вывода или четыре?

Как видно из монтажной схемы печатной платы на рис. 3, невозможно полностью исключить сопротивления выводов в двухконтактном шунтовом резисторе даже при использовании соединения Кельвина. Должен быть определен некоторый допуск для размещения печатной площадки, чтобы учесть ошибку позиционирования, когда шунтовый резистор устанавливается для впаивания на печатную плату.

При использовании двухконтактного шунтового резистора с соединением Кельвина, часто уровень точности для чувствительности по току может оказаться недостаточным во многих случаях с очень высоким током. Для таких случаев производители предлагают шунтовые резисторы с четырьмя контактами, в которых соединение Кельвина реализовано внутри резистора. Таким образом, производитель может полностью контролировать все допуски и температурные коэффициенты, относящиеся к соединению Кельвина (рис. 5).

	High Current Trace – Цепь для мощного тока Current Sensing Trace – Токочувствительная цепь Current Sensing Resistor – Токочувствительный резистор Copper Trace – Медная дорожка
Рис. 5. Четырехконтактный шунтовый резистор обеспечивает высокоточное соединение Кельвина с токочувствительными соединениями, расположенными рядом с шунтовым резистором. Пример изображения токового четырех контактного шунтового резистора представлен справа.

Токочувствительный резистор с четырьмя контактами, использующий соединение Кельвина, имеет отдельные выводы для протекающего через резистор большого тока и для измерения напряжения, что помогает повысить точность измерений. Кроме того, использование четырехконтактного шунтового резистора с соответствующим соединением Кельвина снижает влияние ТКС, обеспечивая улучшенную температурную стабильность, по сравнению с двухконтактным шунтовым резистором, использующим компоновку печатной платы для реализации соединения Кельвина.

Bourns предлагает несколько четырехконтактных шунтовых резисторов из серии для поверхностного монтажа CSS4 (рис. 6).

Рис. 6. Шунтовые резисторы Bourns CSS4 для поверхностного монтажа используют четырехконтактное соединение Кельвина для максимальной точности измерения тока.

В состав серии Bourns CSS4 входят шунтовые резисторы CSS4J-4026R-L500F 0,5 мОм, 1%, 5 Вт, и CSS4J-4026K-2L00F 2 мОм, 1%, 4 Вт. Оба эти шунта имеют низкий ТКС, низкую тепловую ЭДС и занимают на плате площадку не более 10 мм × 7 мм.

Заключение

Первым шагом в процессе измерения тока является преобразование электрического тока в более легко измеряемый параметр – напряжение. Токовые шунтовые резисторы являются недорогими компонентами, которые выполняют эту задачу. Однако, как показано в статье, номинальное значение шунтового резистора должно быть низким, чтобы минимизировать его влияние на цепь и рассеиваемую мощность на самом резисторе.

К другим важным параметрам для токовых шунтовых резисторов относятся ТКС и тепловая ЭДС, которые могут значительно повлиять на точность измерения тока.

Наконец, для того, чтобы максимизировать точность измерения, крайне важно не допустить ограничения силы тока, протекающего через шунт, минуя токочувствительный тракт либо с помощью специальной компоновки печатной платы, которая создает соединение Кельвина для двухконтактного шунта, либо с помощью четырехконтактного шунтового резистора.

Поскольку низкое значение сопротивления подразумевает, что падение напряжения на токочувствительном резисторе будет небольшим, во второй части этой статьи будут обсуждаться соображения по проектированию AFE, который усиливает низкое напряжение, упрощая процесс измерения с помощью АЦП.

Источник